15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 151 Innovative Pfahlweiterentwicklung zur Einsparung von Ressourcen und zum klimafreundlichen Bauen Dipl.-Ing. Marcel Grave Implenia Civil Engineering GmbH, Essen Dr.-Ing. Stephan Gutjahr Geoteam Ingenieurgesellschaft mbH, Dortmund Zusammenfassung Zur Errichtung eines neuen Bauwerkes sind stets die Anforderungen an eine sichere Gründung zwingend erforderlich. Bei nicht ausreichend tragfähigem Baugrund für das zu errichtende Bauwerk sind Pfahlgründungen aus Stahlbeton eine bewährte Methode, um hohe Lasten in tieferliegende tragfähige Schichten abzutragen. Die Herstellung von Beton bindet wichtige Ressourcen und stellt einer der größten CO 2 -Treiber im Bausektor dar. Zur Einsparung von Ressourcen und klimafreundlichen Bauen tragen innovative Lösungsansätze zum Erreichen von nachhaltiger zukunftsorientierter Bauweise bei. 1. Einführung Im Zuge der urbanen Entwicklung im innerstädtischen Bereich werden immer mehr Hochhäuser gebaut, sowie Infrastruktur unterirdisch errichtet. Für die Errichtung von Hochhäusern ist eine sichere Gründung unabdingbar, insbesondere bei nicht ausreichend tragfähigem, anstehenden Baugrund und/ oder hohen, abzutragenden Lasten. In der Planung werden, bedingt durch die oft inhomogene Streuung des Baugrundes, oft Mantelreibungs- und Spitzendruckwerte im unteren Tragfähigkeitsbereich für ein erhöhtes Sicherheitsniveau angegeben. Mit der hier vorgestellten innovativen Pfahlweiterentwicklung soll die Ausführbarkeit und das Last- Verformungserhalten an mantelverpressten Schneckenortbetonpfähle (SOB-Pfähle) untersucht werden und zur Optimierung der Gründung in vergleichbare Böden beitragen. Hierzu wurde bei einem Bauvorhaben in Köln, seitens Implenia Civil Engineering auf Eigeninitiative, ein Probefeld für eine Pfahlprobebelastung an zwei Probepfählen angelegt. Ziele der Probebelastungen sind grundsätzlich die Machbarkeit des innovativen Ansatzes, eine Mantelverpressung an SOB-Pfähle auszuführen und belastbare Referenzen zu erhalten, sowie über die Pfahlprobebelastung die Entwicklung der axialen und lateralen Tragfähigkeit und der dabei mobilisierten Teilwiderstände, Mantelreibung und Spitzendruck für das eingesetzte Pfahlsystem, bestehend aus SOB-Pfahl mit Mantelverpressung unter den speziellen Baugrundbedingungen, zu ermitteln und damit eine vergleichsweise abgesicherte Basis für die weitere Dimensionierung der Tiefgründung zu schaffen. 2. Baugrundbeschreibung Im Versuchsfeld Köln stehen, wie grundsätzlich im Kölner Stadtgebiet und auch in weiten Teilen im Rheinland, im oberen Bereich Auffüllungen an, darunter folgen oberflächennahe Hochflutablagerungen, die sich aus Hochflutsanden und Hochflutlehmen von 2,00 bis 3,00-m Mächtigkeiten zusammensetzen. Darunter stehend die gewachsenen Sande und Kiese der quartären Niederterrasse in unterschiedlicher Zusammensetzung. Ab einer Tiefe von ca. 25,00-m unter GOK (+ 20,50 m NHN) erfolgt der Übergang zum Tertiär, der hier aus einem braugrauen Feinsand besteht. Für die Übertragbarkeit der Ergebnisse vom Probefeld auf das Rheinland mit vergleichbarem Baugrund wurden weitere umfangreiche Bodenerkundungsmaßnahmen in Form von Bohrung mit durchgehender Gewinnung von gekernter Proben in fester Hülle (Güteklasse 2) und Sondierungen mit der schweren Rammsonde im Versuchsfeld durchgeführt (Abbildung 1). Im bodenmechanischen Labor sind Index-Parameter wie natürliche und bezogene Lagerungsdichte über die gesamte Bohrstrecke und Kornverteilungsanalysen bestimmt worden. Abbildung 1: Baugrunderkundungen im Probefeld Bei der Erkundungsbohrung BK 1 wurde eine Auffüllungsmächtigkeit von ca. 5,00-m erkundet, die darunter liegende Niederterrasse besteht aus einer Wechsellagerung aus quartären locker bis mitteldicht gelagerten Sanden und Kiesen (Abbildung 2 und 3). Das Grundwasser lag bei Herstellung der Probepfähle ca. 5,00-m unter GOK (ca. + 37,00-m NHN). 152 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Innovative Pfahlweiterentwicklung zur Einsparung von Ressourcen und zum klimafreundlichen Bauen Abbildung 2: Erkundungsbohrung BK 1 Abbildung 3: Rammsondierungen DPH 1-6 3. Versuchsaufbau der Pfahlprobebelastung Grundlage für die Konzeptionierung des Probefeldes ist eine frühere Pfahlprobebelastung und bereits mehrfach erfolgreich zur Ausführung gebrachten mantel- und fußverpresster verrohrt hergestellter Bohrpfähle im Kelly- Bohrverfahren. Eine Zielsetzung des aktuellen Probefeldes ist es auch den Mantelwiderstand annähernd den gleichen Randbedingungen/ -kriterien zu bestätigen. Insgesamt wurden an zwei statische Pfahlprobebelastungen durchgeführt, so dass die Messwerte verifiziert und der Streuungsfaktor reduziert werden kann. Auf Grund der örtlichen Platzverhältnisse wurde entschieden die Probe- und Reaktionspfähle in Reihe auszuführen (Abbildung 1). Mit dieser Anordnung wurde der Reaktionspfahl RP 2 zweimal für die Probebelastungen verwendet. Die drei Reaktionspfähle wurden alle ohne Mantelverpressung mit einer Länge von 12,00-m und einem Durchmesser D S = 90-cm hergestellt. Die beiden Probepfähle mit einem Bohrdurchmesser von 90 cm weisen eine Gesamtlänge von 12,00-m auf, wobei die oberen 7,00-m des Pfahlschaftsbereiches mit einer gefetteten Stahlhülse zur Reduzierung des Mantelreibungswiderstandes ausgebildet wurde und die unteren verbleibenden 5,00-m mit Mantelverpressung versehen wurde. Mit dieser Ausbildung des Prüfpfahles ist die Prüflast auf 5-MN festgelegt worden. Die Probepfähle wurde um ca. 80 cm über GOK hinaus mittels der Hülse im oberen Pfahlschaftsbereich verlängert. Für die Lasteinleitung in die Reaktionspfähle wurden je zwei GEWI-Stangen mit einem Durchmesser von 63,5-mm und einer Gesamtlänge von 11,00-m bestückt, hiervon waren 6,50-m in den Pfahl eingebunden und die restlichen 4,50-m für die Einbindung in die Traverse verwendet (Abbildung 4). 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 153 Innovative Pfahlweiterentwicklung zur Einsparung von Ressourcen und zum klimafreundlichen Bauen Abbildung 4: Ausführungsplanung der Probebelastung 4. Messtechnik Die Instrumentierung der Probepfähle erfolgte in Anlehnung an die EA-Pfähle „hohe Anforderungen“, wobei verfahrensbedingt, bei nachträglichem Einbau der Bewehrung in den Frischbeton, der Pfahlspitzendruck nicht separat über Druckmesskissen erfasst werden konnte. An den Reaktionspfählen wurde die Pfahlkopfverschiebung gemessen. Die eingeleiteten Kräfte am Pfahlkopf wurden über drei kalibrierte Lastzellen mit einem Messbereich von bis zu 10-MN erfasst. Zusätzlich wurde der Öldruck des Hydrauliksystems mit einem Absolutdruckaufnehmer überwacht. Zum Erfassen der vertikalen Pfahlkopfverschiebung wurden symmetrisch über den Umfang der Probepfähle Seilwegsensoren angeordnet und die Pfahlkopf bewegungen, quer zur Pfahlachse über zwei senkrecht zueinander angeordneter, induktive Wegaufnehmer gemessen. Für die Erfassung der Pfahldehnung respektive der Pfahlstauchung wurden über die Pfahllänge in den Messquerschnitten je drei Stück (im Kopf bereich vier Stück) Schwingsaitenaufnehmer über den Messquerschnitt radial angeordnet. Insgesamt wurde über die Pfahllänge fünf Messquerschnitte verteilt (Abbildung 5). Zusätzlich erfolgten an den Probepfählen Low-Strain- Integritätsprüfungen. Abbildung 5: Schematische Darstellung der Messquerschnitte 5. Pfahlherstellung Alle Pfähle wurden als Schneckenortbetonpfahl hergestellt. Für die Ausführung der SOB-Pfähle kam ein Großbohrgerät BG 30H zum Einsatz. Nach Erreichen der Solltiefe wurde der Beton durch das Seelenrohr der Bohrschnecke in das Bohrtiefste eingepumpt und kontinuierlich mit dem einstellenden Betonüberdruck die Bohrschnecke zurückgezogen und vollständig verfüllt. Im Anschluss wurde die Bewehrung in den Frischbeton eingebracht. Zuerst erfolgte die Herstellung der Reaktionspfähle ohne Mantelverpressung, wobei zusätzlich zu dem Bewehrungskorb auch die GEWI-Stangen im Frischbeton eingestellt und via Schablone in Lage und Höhe gesichert wurden. Nach Herstellung der Reaktionspfähle wurden die Probepfähle ausgeführt. Hierbei wurde mit dem Probepfahl PP-2 begonnen und sofort in den Frischbeton zunächst die Hülse zur Reduktion der Mantelwiderstandes eingebracht, sowie unmittelbar im Anschluss der Bewehrungskorb mit dem im Vorfeld fix montierten Schwingsaitenaufnehmern und Mantelverpressschläuchen (Abbildung-6). Hierbei konnte der Bewehrungskorb nicht auf die geplante Tiefe eingebracht werden, so dass der Bewehrungskorb an der GOK um ca. 2,50-m eingekürzt, sowie die vormontierten Schwingsaitenaufnehmer und 154 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Innovative Pfahlweiterentwicklung zur Einsparung von Ressourcen und zum klimafreundlichen Bauen Verpressventile in Ihrer Lage um ca. 2,50-m nach oben verschoben wurde. Die im oberen Bereich befindlichen Betondehnungsgeber des Messquerschnittes MQ 1 wurden anschließend neu positioniert. Abbildung 6: Bewehrungskörbe mit Dehnungsgeber und Mantelinjektionsschläuchen Auf Grund der Einbauschwierigkeiten bei der Herstellung von Probepfahl PP 2 wurde bei dem Probepfahl PP-1 zunächst nach der Betonage der Bewehrungskorb mit den vormontierten Elementen in den Frischbeton auf die Solltiefe eingebracht und im Nachgang die Hülse über den Bewehrungskorb geführt (Abbildung 7). An beiden Probepfählen wurden nach einem definierten Zeitraum die vormontierten Mantelverpressschläuche mittels Wasser aufgesprengt, sowie im Anschluss, in Anlehnung an die Kriterien der früheren Pfahlprobebelastung an mantel- und fußverpresster verrohrt hergestellten Bohrpfählen, mit Zementsuspension die Mantelverpressung ausgeführt. Abbildung 7: Einbau des Bewehrungskorbes 6. Versuchsdurchführung Für alle Probepfähle wurde das Lastregime in zwei Lastzyklen, mit einer Zwischenentlastung entsprechend der EA-Pfähle, aufgebracht. Die maximale Last des ersten Lastzyklus entspricht dem charakteristischen Wert der Pfahlbeanspruchung (Gebrauchslast) und die der acht Laststufen des zweiten Lastzyklus der geplanten Prüflast. Die Vorlast entspricht 10 % des charakteristischen Wertes der Beanspruchung. Zur Gewährleistung einer statischen Lastauf bringung erfolgte eine Laststeigung zwischen den Laststufen des ersten Lastzyklus erst, wenn die Verschiebungsgeschwindigkeit auf einen Wert ≤- 0,1mm/ 20- min und für alle weiteren Laststufen auf einen Wert von ≤-0,1-mm/ 5 min abgeklungen war bzw., wenn sich auf den Messwerten ein Kriechmaß zuverlässig ermitteln ließ. Die Laststeigerung erfolgte unter Vermeidung von Stößen und Erschütterungen langsam mit einer Dauer von ca. 3-5 min. und gem. EA-Pfähle wurden die jeweiligen max. Lastwerte der Lastzyklen über min. 60-min konstant gehalten. Für die axiale statische Pfahlprobebelastung gelten als Abbruchkriterien das Erreichen der Prüfkraft, ein ermitteltes Kriechmaß von > 2,0 mm oder das Erreichen der Grenzsetzung 0,1xD = 90 mm. Für Pfahl PP 2 konnte das geplante Lastregime in zwei Lastzyklen bis zur geplanten Prüf kraft von 5,0- MN durchgeführt werden. In Abstimmung mit dem zuständigen Baugrundgutachter wurde die Prüf kraft für PP-1, infolge des während der Probebelastung von PP- 2 beobachteten Tragverhaltens, auf 6,5- MN erhöht, welches der maximalen Tragkraft der GEWI-Stangen an den Reaktionspfählen entsprach. Die Belastung wurde über die ursprünglich geplante Prüf kraft von 5,0-MN hinaus sukzessive in Lastschritten von 300-kN gestei- 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 155 Innovative Pfahlweiterentwicklung zur Einsparung von Ressourcen und zum klimafreundlichen Bauen gert. Die Beobachtungszeit wurde für eine zuverlässige Kriechmaßermittlung auf 15-20 min verlängert (Abbildung-8 und 9). Abbildung 8: Lastregime der Probepfähle PP 1 und PP-2 Abbildung 9: Geplante und gemessene Lasten und Beobachtungszeiten 7. Versuchsauswertung Alle statischen Pfahlprobebelastungen konnten erfolgreich bis zu geplanten Prüfkraft durchgeführt werden. Bei keinem der geprüften Pfähle wurden die definierten Abbruchkriterien von Kriechmaß oder Grenzsetzung erreicht. Zuerst erfolgt die Probebelastung an dem Pfahl PP- 2 mit einer Prüfkraft bis max. 5.000 kN. Die aufgezeichnete Widerstands-Setzungs-Linie ist über das gesamte Belastungsintervall durch überproportionale Zunahme der Setzungen und einen hyperbolischen Verlauf geprägt. Bei dem charakteristischen. Beanspruchungswert von 2.700-kN wurden Setzungen von 4,11-mm gemessen und ein Kriechmaß von 0,133-mm ermittelt. Dies entspricht einer bezogenen Pfahlkopfverschiebung von 4/ 900-=-0,004∙D S . Bei Versuchsende der geplanten Prüfkraft von 5.000 kN ergab sich eine gemessene Setzung von 10,6 mm und ein Kriechmaß von 0,555-mm (Abbildung-10). Die bezogene Pfahlkopfverschiebung beträgt 11/ 900 = 0,01∙D S . 156 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Innovative Pfahlweiterentwicklung zur Einsparung von Ressourcen und zum klimafreundlichen Bauen Abbildung 10: Widerstands-Setzungs-Linie PP 2 Mit den aus der Längsdehnungen rückgerechneten Normalkraft wurden segmentweise die ermittelten mobilisierten Mantelreibungsverläufe, zwischen den einzelnen Messquerschnitten, ermittelt (Abbildung 11). Die wechselnden Steigungen der Längskraftverläufe im Übergangsbereich Hülse-Pfahl sind wahrscheinlich auf veränderliche Steifigkeitsverhältnisse zurückzuführen. Die Entwicklung der mobilisierten Mantelreibungen in den analysierten Messquerschnitten ist qualitativ vergleichbar. Bei steigender Belastung nehmen die Änderungen der aus den Dehnungen ermittelten Mantelreibungswerte ab. Abbildung 11: Normalkraftverlauf und mobilisierte Mantelreibung PP 2 Im Messsegment 3 ergeben sich mit den idealen Pfahlquerschnittswerten z.T. negative Mantelreibungswerte, welche kritisch zu betrachten sind. Bei vorliegenden Baugrundverhältnissen ist negative Mantelreibung nicht erwartbar. Die lokale Verpressung des Pfahlmantels hat im Segment 3 möglicherweise zu einer unstetigen Gestalt des Pfahls geführt. Die Auswertung der Impedanzen (Integritätsprüfungen) steht hier noch aus. Der in Messquerschnitt 5 ermittelte Pfahlspitzendruck zeigt mit der Setzung eine unterproportionale Zunahme. Allerdings liegt dieser Messquerschnitt ca. 3,00 m, begründet durch die beschriebene Herstellung, über dem Pfahlfuß und dient lediglich zur Orientierung. Bei der maximalen Prüfkraft von 5 MN für den Probepfahl PP 2 setzt sich der Gesamtwiderstand zu 70-% aus dem Mantelwiderstand und zu 30 % aus dem Spitzendruck zusammen. Im Anschluss an die Probebelastung PP 2 erfolgte die Probebelastung am Prüfpfahl PP 1. Bedingt durch die Erfahrungswerte aus dem Pfahl PP 2 wurde die Prüfkraft auf 6.500 kN erhöht. Auch beim PP 1 zeigt die aufgezeichnete Widerstands-Setzungs-Linie, über das gesamte Belastungsintervall, eine überproportionale Zunahme der Setzungen und einen hyperbolischen Verlauf. Bei einem charakteristischen Wert der Beanspruchung von 2.700-kN wurden Setzungen von 3,52 mm (≈ 0,004∙D S ) gemessen und ein Kriechmaß von 0,100 mm ermittelt. Mit Erreichen der ursprünglich geplanten Prüfkraft von 5.000-kN konnte eine Setzung von 10,33 mm (≈ 0,01∙D S ), sowie ein Kriechmaß von 0,631 mm, ermittelt werden. Mit Versuchsende der erweiterten geplanten Prüfkraft von 6.500- kN ergab sich eine gemessene Setzung von 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 157 Innovative Pfahlweiterentwicklung zur Einsparung von Ressourcen und zum klimafreundlichen Bauen 16,28 mm (≈ 0,02∙D S ) und ein Kriechmaß von 0,764 mm (Abbildung 12). Als erste Erkenntnisse aus den beiden Probebelastungen können festgehalten werden, dass die Probepfähle deutlich geringere bezogene Pfahlkopfsetzungen aufweisen als klassische verrohrt hergestellte Bohrpfähle. Auch die Traglasten wurden weit höher als erwartet gemessen. Weiter kann festgestellt werden, dass eine Vergütung durch Mantelverpressung auch bei nachträglichem Einbau der Bewehrung möglich ist. Abbildung 12: Widerstands-Setzungs-Linie PP 1 Abbildung 13: Normalkraftverlauf und mobilisierte Mantelreibung PP 1 Analog zu der Probebelastungen PP 2, sind die aus der Längsdehnungen der Schwingsaitenaufnehmer segmentweise die mobilisierten Mantelreibungsverläufe zwischen den einzelnen Messquerschnitten ermittelt worden. Qualitativ sind die Entwicklungen der mobilisierten Mantelreibung in den analysierten Messquerschnitten vergleichbar. Mit zunehmender Laststeigerung nehmen die Änderungen der aus den Dehnungen ermittelten Mantelreibungswerte ab. Auch hier ergibt sich im Messsegment-3 nahezu keine mobilisierte Mantelreibung, welches mit den sich verändernden Pfahlschaftsquerdehnsteifigkeiten oder einer möglichen unsteten Gestalt erklärt werden kann. Der in Messquerschnitt 5 ermittelter Pfahlspitzendruck zeigt mit der Setzung eine hyperbolische Zunahme und gibt die Lastumlagerungen zwischen den Mantelreibungssegment wieder. Mit Erreichen der erweiterten geplanten Prüfkraft von 6.500 kN lässt sich über die Dehnungsmessungen ein Spitzendruck von 1.995- kN/ m² ableiten. Bei der maximalen Belastung von 6,5 MN für den Probepfahl PP 1, setzt sich der Gesamtwiderstand der Messungen aus den ermittelten Einzelwiderständen, zu 80,5-% aus dem Mantelwiderstand und zu 19,5 % aus dem Spitzendruck zusammen. In Abbildung 14 sind die Widerstands-Setzungs-Linien der beiden Probepfähle PP 1 und PP 2 zusammengefasst. In Abhängigkeit der mobilisierten Widerstände aus Mantelreibung und Spitzendruck variieren die Verläufe der Pfähle, sind allerdings miteinander qualitativ vergleichbar. Für den charakteristischen Beanspruchungswert von 2.700-kN 158 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Innovative Pfahlweiterentwicklung zur Einsparung von Ressourcen und zum klimafreundlichen Bauen lässt sich ein Setzungsunterschied von 0,58 mm und bei der ursprünglich geplanten Prüflast mit 5.000-kN von 0,73-mm entnehmen. Dies ist insoweit plausibel da die mantelverpresste Pfahllänge beim Probepfahl PP-1 mit 5-m doppelt so lang wie beim Probepfahl PP 2 mit 2,5-m. Abbildung 14: Zusammenfassung der Widerstands- Setzungs-Linie PP 1 und PP 2 8. Fazit Für die gesetzten Nachhaltigkeitsziele sind alle am Bau Beteiligten dazu angehalten den CO 2 -Ausstoß bestmöglich zu reduzieren. Hierfür ist es unabdingbar, für die Entwicklung der zukünftigen Baubranche, nach innovativen Lösungsansätzen zu suchen, sowie auf dem Markt zu etablieren. Mit der Durchführung des ausgeführten Probefeldes konnte grundsätzlich die Machbarkeit des innovativen Ansatzes zur Pfahlweiterentwicklung, durch die mantelverpressten Schneckenortbetonpfähle, bestätigt werden. Die Verfahrensweise und die gewonnenen Erkenntnisse zum Last-Verformungsverhalten sollen dazu beitragen, die erhobenen Mantelreibungsbeiwerte in vergleichbaren Böden zum Einsatz zu bringen und somit ein ressourcenschonendes und klimafreundliches Bauen, auch in der Gründung von Bauwerken oder anderweitigen Einsatzgebieten voranzutreiben. Zusätzlich ergeben sich mit der innovativen Pfahlweiterentwicklung auch monetäre Vorteile. Mit der Ausübung der Pfahlprobebelastung an mantelverpressten SOB-Pfählen liegt nun der Firma Implenia Civil Engineering erstmalig eine belastbare Referenz vor. Literatur [1] Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle - EA- Pfähle, 2. Auflage, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V., Ernst & Sohn Verlag, 2012.