Pfahlgründungen

Pfahlgründungen werden eingesetzt, wenn direkt unter dem zu gründenden Bauwerk ein nicht tragfähiger Baugrund ansteht und die Lasten auf tiefer liegende tragfähige Baugrundschichten übertragen werden sollen. Die Art der Lastübertragung hängt vom ansehenden Baugrund und der Beschaffenheit der Pfähle ab.

Im Folgenden werden einige Pfahlarten ohne Anspruch auf Vollständigkeit vorgestellt. Sie sollen einen Überblick geben über auf dem Markt befindliche Systeme und deren Anwendungsgebiete, sowie Anwendungsgrenzen aufzeigen.

Nach ihrer Herstellungsart können Pfähle in Fertigpfähle und Ortpfähle oder nach ihrer am häufigsten verwendeten Einbringungsart nach Ramm-, Bohr- und Presspfählen eingeteilt werden. Es werden mögliche Systeme in Abhängigkeit ihrer Einbringungsart beschrieben. Einen Überblick mit Benennung von Vor- und Nachteilen gibt das Grundbautaschenbuch, Teil 3.

Durch das Einbringen der Pfähle wird der anstehende Boden verdichtet und seitlich verdrängt. Der Boden in unmittelbarer Nähe des Pfahls wird dabei verspannt, so dass die Tragfähigkeit des Bodens steigt. Verdrängungspfähle werden gemäß EA-Pfähle (Empfehlungen des Arbeitskreises „Pfähle“) unterteilt in 

• Fertigrammpfähle aus Stahlbeton, Spannbeton, Stahl und Holz,
• Ortbetonrammpfähle, 
• verpresste Verdrängungspfähle und 
• Schraubpfähle (Vollverdrängungsbohrpfähle, Teilverdrängungspfähle).
   

Stahlbeton- / Spannbetonrammpfähle

Massiv- und Hohlpfähle werden verwendet. Massivpfähle werden mit schlaffer Bewehrung oder mit einer Vorspannung hergestellt. Mögliche Querschnitte sind dabei quadratisch, rechteckig, vieleckig oder gegliedert, wobei meist ein quadratischer oder ein runder Querschnitt gewählt wird.
Die Querschnitte können an nahezu jedes statische Erfordernis angepasst werden, nahezu jede Kombination aus Querschnitt, Länge und Profil ist bei der Herstellung möglich. Viele Anschlussmöglichkeiten mit dem darüberstehenden Gebäude sind denkbar und werden im Grundbautaschenbuch gezeigt.

Nachteilig bei dieser Art von Rammpfählen ist die geringe Tragfähigkeit auf Biegung in Querrichtung. Zum Einbringen in das Erdreich ist ein schweres Rammgerät erforderlich, mit dem große Erschütterungen einhergehen. Werden so genannte Kupplungspfähle eingesetzt, so können sie während des Einbringens in den Boden den bodenmechanischen Eigenschaften des Bodens mit der daraus resultierenden Einbindelänge angepasst werden. Das vorhergehende Bild zeigt mögliche Pfahlkupplungen.

Stahlrammpfähle

Stahlrammpfähle werden als Stahlrohr-, Kasten- und Trägerpfahl hergestellt und in den Boden eingebracht.
Während Stahlrohrpfähle aus handelsüblichen Lieferungen (nahtlos oder geschweißt) hervorgehen, werden Kastenpfähle erzeugt, indem mehrere Einzelbohlen üblicher Spundwandsysteme zusammengeschweißt werden. Stahlrohrpfähle finden auch eine Anwendung in gemischten Spundwänden, indem Schlösser auf die Wandungen geschweißt und Füllbohlen eingefügt werden. 

Allen Stahlrammpfählen ist gemeinsam, dass sie meist ohne die Ausbildung einer Pfahlspitze in den Boden eingerammt werden können. In Rohr- oder Kastenpfählen bildet sich ein „Pfropfen“ am Pfahlfuß aus, der die gleichen Eigenschaften wie eine Pfahlspitze besitzt. Zur Schaffung dieses Pfropfens wird jedoch häufig gefordert, dass die Pfähle auf den letzten 3 m schlagend in den Boden eingebracht werden. Wird der Pfahl in den Boden mit Vibrationsbären in den Boden eingetrieben, so befürchtet man eine verringerte Tragfähigkeit dieser durch Boden gebildeten Pfahlspitzen.

Werden symmetrisch angeordnete Stahlprofile im Fußbereich auf den verwendeten Stahlpfahl, (Kasten-, Rohr- oder Trägerpfahl) aufgeschweißt, so kann die Tragfähigkeit eines solchen Pfahls deutlich gesteigert werden. Die abgewickelte Mantelfläche wird deutlich vergrößert, und am Fuß kann sich ein weitaus größerer Pfropfen zwischen den einzelnen Profilen ausbilden.  Die Rammfähigkeit der Pfähle wird durch die „Flügel“ kaum nachteilig beeinträchtigt, die aufzuwendende Rammenergie muss entsprechend vergrößert werden. Die Länge dieser aufgeschweißten „Flügel“ richtet sich nach der Bodenart und kann zwischen 2 m und 3 m betragen.
Stahlpfähle besitzen eine große Materialfestigkeit bei gleichzeitiger Elastizität. Sie sind unempfindlich beim Transport und können beim Einbringen den Bodeneigenschaften entsprechend verlängert werden.
Analog zu den Überlegungen und den technischen Möglichkeiten des Einrammens von Spundwänden können die Böden auch für das Einrammen der Rammfertigpfähle nach ihrer Rammfähigkeit eingeteilt werden. 

Ortbetonrammpfähle

Im Gegensatz zu den in den beiden vorhergehenden Kapiteln vorgestellten Fertig-Rammpfählen werden die Ortbetonrammpfähle, wie die Bohrpfähle, an ihrer endgültigen Position direkt hergestellt. Sie gelten als Vollverdrängungspfahl, da sie im Schutz eines stählernen Vortriebrohrs mit geschlossener Spitze in den Boden eingerammt werden, bis die tragfähige Schicht erreicht ist. Beim Ziehen des Vortriebrohrs kann sich der Boden jedoch wieder leicht entspannen. Ein bekannter Pfahltyp ist der Franki-Pfahl.
Mit der Franki-Ramme wird ein Vortriebsrohr mit Hilfe einer Innenrammung in den Boden eingerammt. Am Fuß dieses Rohrs befindet sich ein Betonpfropen, ca. 1 m hoch, der durch das Rammen stark verdichtet wird und sich gegen die Rohrwandungen so stark verspannt, dass beim weiteren Rammen auf den Pfropen das Rohr mit in das Erdreich gezogen wird. Das Erdreich wird vollständig verdrängt und verspannt. Ist die Endtiefe erreicht, so wird das Vortriebsrohr auf dieser Tiefe gehalten und der Betonpfropfen durch weiteres Rammen aus dem Rohr verdrängt und bildet damit einen Pfahlfuß. Weiterer Beton wird nach Einstellen eines Bewehrungskorbs in das Rohr eingefüllt und weiter mit einer Innenrammung verdichtet. Gleichzeitig wird das Vortriebsrohr gezogen, es entsteht ein rauher Pfahlschaft.  Es entsteht ein Pfahl mit einem großen Pfahlfuß und mit großer Tragfähigkleit durch das verdichtete Erdreich. Pfahlneigungen bis 4:1 können hergestellt werden.

Holzrammpfähle

Holzpfähle sollen hier der Vollständigkeit halber kurz erwähnt werden. Sie besitzen den Vorteil, dass sie sofort nach Einrammen in das Erdreich belastbar sind und dass sie in einer vorher bekannten Güte hergestellt und eingebracht werden können. Sollen diese Pfähle dauerhaft eingesetzt werden, so müssen sie unterhalb des niedrigsten Grundwasser- oder Tidewasserstands liegen, um nicht innerhalb der Fäulnisgrenze zu liegen (ein gleichzeitiges Vorhandensein von Sauerstoff und Wasser lässt die Holzpfähle faulen).

Verpressmörtelpfahl

Eine besondere Art der Rammpfähle stellt die Gruppe der Verpresspfähle dar. Mörtel-Verpresspfähle werden als Fertigpfahl mit einem Pfahlschuh in den Boden gerammt. Der dabei erzeugte Hohlraum im Boden wird während des Rammens mit Mörtel verpresst. Der Schaft des Pfahls dient als Verpressrohr.  Wenn die Endtiefe erreicht ist, wird der Ringraum an der Pfahloberkante mit einem Betonpfropf versehen und der Mörtel im darunterliegenden Ringraum mit einem Verpressdruck von bis zu 10 bar verpresst. Dadurch wird die Mantelreibung wesentlich vergrößert, der Pfahl kann größere Lasten abtragen. Pfähle dieser Art erlauben keine unvorhergesehenen Warte- oder Standzeiten beim Einbringen in den Baugrund, da sonst der Mörtel aushärtet und der Pfahl nicht nutzbar ist. 

Verdrängungsbohrpfähle

Verdrängungsbohrpfähle werden unterschieden in Teilverdrängungsbohrpfähle und Vollverdrängungsbohrpfähle. Beim Einbringen dieser Pfähle wird ein am Pfahlfuß verschlossenes Bohrrohr mit einer aufgesetzten Bohrschnecke in den Boden eingedreht. Der Unterschied beider Verfahren besteht hauptsächlich in der Art der Wiedergewinnung des Bohrrohrs und mit der damit verbundenen Menge des Bohrguts, und wird im Folgenden beschrieben. Beide Verfahren haben gemeinsam, dass sie aufgrund des Einschraubens des Bohrrohrs in den Boden den anstehenden Boden in seiner gewachsenen Lage nur unwesentlich stören und aufgrund geringster Erschütterungen bzw. Lärmerzeugung bei ihrer Herstellung in bebauten Bereichen gut eingesetzt werden können.

Schraubpfähle - Vollverdrängungsbohrpfähle

Bei der Herstellung von Vollverdrängungsbohrpfählen wird der Boden vollständig verdrängt.  Das unten geschlossene Rohr wird in den Boden eingedreht. Am Fuß des Pfahls befindet sich ein Schneidkopf, der das schneckenförmige Eindrehen des Pfahls in den Boden sicherstellt. Der anstehende Boden wird seitlich vollständig verdrängt, somit wird er verspannt bzw. verdichtet. Wenn die Endtiefe erreicht ist, wird ein Bewehrungskorb in den geschaffenen Hohlraum (=Pfahlschaft) eingestellt und Beton eingefüllt. Das Bohrrohr wird durch Herausdrehen wiedergewonnen, die Spitze vom Schneidkopf verbleibt im Boden und der Beton füllt den vom Schneidkopf geschaffenen Hohlraum vollständig aus. Es bildet sich um den Pfahlschaft herum ein wendelförmiger Betonwulst.
Im Gegensatz zu einem Atlas-Pfahl, bei dem nur die Fußspitze nach dem Ausdrehen im Boden verloren ist, verbleibt beim Fundex-Pfahl die gesamte Pfahlspitze im Boden. Beim Betonieren wird der Pfahlschaft ohne weitere Drehbewegungen gezogen. Auch der Fundex-Pfahl ist ein Vollverdrängungsbohrpfahl.

Schraubpfähle - Teilverdrängungsbohrpfähle

Beim Teilverdrängungsbohrverfahren wird eine durchgehende Hohlbohrschnecke drehend auf Endtiefe gebracht, die am unteren Ende durch eine Fußplatte wasserdicht verschlossen ist. Dabei wird der die Hohlbohrschnecke umgebende Boden verdrängt. Durch die außen aufgebrachte Wendel findet eine Teil-Bodenförderung statt.
Wenn die Hohlborschnecke bis in den tragfähigen Boden niedergbracht wurde, wird der Bewehrungskorb eingestellt, bei gleichzeitigem Ziehen der Hohlbohrschnecke wird Beton eingepumpt. Die Fußplatte verbleibt im Boden.
Somit werden Pfähle mit einem Durchmesser hergestellt, die dem Außendurchmesser der Schneckenwendel entspricht.  

Bohrpfähle gehören zu den Ortpfählen. Bohrungen werden durch unten offene Vortriebsrohre in den anstehenden Boden abgeteuft. Nach dem Einstellen von Bewehrungskörben wird der Pfahl betoniert. Für ein Arbeiten im Grundwasser muss mit Überdruck gearbeitet werden. Bohrpfähle können 

• ungestützt,
• verrohrt,
• suspensionsgestützt und
• erdgestützt (mit durchgehender Bohrschnecke)

hergestellt werden.
Die Herstellung von Bohrpfählen ist weitestgehend erschütterungsfrei und kann somit in unmittelbarer Nähe zu der anstehenden Bebauung durchgeführt werden. Die Pfahllänge ist noch während der Herstellung an den angetroffenen Boden anzupassen und kann bis in große Tiefen in den Boden gebohrt werden. Sie können bis zu einer Neigung von 4:1 (~15°) gegen die vertikale Achse hergestellt werden.

Bohrpfähle tragen über eine Kombination von Mantelreibungskräften und Spitzendruck die Lasten in den Boden ab. Auch für eine Aufnahme von Biegemomenten und Horizontalkräften sind Bohrpfähle gut geeignet. 

Kleinbohrverpresspfähle

Kleinbohrverpresspfähle  sind Mikropfähle mit einem Durchmesser von kleiner als 30 cm nach DIN EN 14199, die ihre Last nahezu ausschließlich über Mantelreibung in das umgebende Erdreich abtragen. Die Tragglieder von Mikropfählen können entweder in eine zuvor abgeteufte Bohrung eingestellt und anschließend mit Zementsuspension verpresst oder als selbstbohrendes Tragglied mit Zementspülung hergestellt werden. Als Verbundpfähle mit kleinem Durchmesser werden Mikropfähle mit einem rohr- oder stabförmigen Tragglied aus Stahl – und einer mit einer Zementmörtelumhüllung - ausgeführt. 

Presspfähle

Ebenfalls zur Herstellung einer Unterfangung eines bestehenden Gebäudes bei begrenzt zur Verfügung stehendem Arbeitsraum werden Presspfähle verwendet. Einzelne Teilsegmente können beim Einpressen in den Boden zu einem Gesamtsystem miteinander verbunden werden. Diese Presspfähle müssen in den tragfähigen Baugrund einbinden. 

Presspfähle können aus einzelnen Stahlrohrsegmenten bestehen, die mit Ortbeton verfüllt werden. Die einzelnen Segmente werden zusammengeschweißt, bevor der nächste Abschnitt nach Einstellen einer Bewehrung wieder ausbetoniert wird. Wenn die notwendige Einpresskraft dem Doppelten der Nutzlast entspricht, wird der Einpressvorgang beendet.

Eine Krafteinleitung in den Baugrund erfolgt über Mantelreibung am Pfahlschaft und dem Spitzendruck im Bereich des Pfahlfußes: 

• Die Mantelreibung resultiert aus Scherspannungen zwischen Pfahlschaft und anstehendem Erdreich und wird von der Scherfestigkeit des Bodens, der Rauhigkeit der Pfahloberfläche und der Größe der pfahlumgebenden senkrecht auf den Pfahlschaft wirkenden Normalspannung beeinflusst. Aufgrund der Bodenverspannung bei der Herstellung eines Rammpfahles ist daher auch die Mantelreibung größer als bei einem Bohrpfahl. Die Größe der Mantelreibung ist also stark abhängig vom gewählten Herstellungsverfahren und kann nicht mit Hilfe von Erddruckansätzen bestimmt werden. Erfahrungswerte bzw. Messungen müssen Anhaltswerte für eine Bemessung geben. Zur Aktivierung der vollen Mantelreibung sind nur sehr geringe Verformungswege notwendig (im mm-Bereich).
• Der Spitzendruck bezeichnet die Sohlspannung unter dem Pfahlfuß. Der Spitzendruck kann erheblich größere Werte als die der Mantelreibung erreichen. Diese Werte werden bei Rammpfählen schon nach einer Setzung von wenigen Millimetern aktiviert. Bei Bohrpfählen kann dies herstellungsbedingt einige Zentimeter betragen.

Das Verhältnis zwischen Spitzendruck und Mantelreibung hängt von dem Pfahldurchmesser, der Pfahllänge und der Größe der Belastung und den anstehenden Böden ab. Je größer die Setzung ausfällt, desto größer wird der Spitzendruckanteil, vgl. nachfolgendes Bild. 

Die äußere Tragfähigkeit wird berechnet, indem der mögliche Pfahlwiderstand, bestehend aus Mantelreibung und Spitzendruck bestimmt wird.

Der Gesamtwiderstand ergibt sich aus der Widerstands-Setzungs- bzw. Hebungslinie. Nach EC 7 und EA-Pfähle kann diese aus Probebelastungen, aus Erfahrungswerten oder aus vergleichbaren Probebelastungen abgeleitet werden, wobei die Widerstands-Setzungslinie aus Erfahrungswerten nur eine Vorbemessung darstellen kann. 
Pfahlprobebelastungen liefern verlässliche Ergebnisse und sind an repräsentativen Versuchsorten bzgl. der Baugrundverhältnisse durchzuführen. Es sind statische wie auch dynamische Pfahlprobebelastungen möglich. Die Auswertung der Pfahlprobebelastungen wird im EC 7 und in der EA-Pfähle geregelt.

Mit den gemittelten Werten für den Spitzenwiderstand q_c der Drucksonde bzw. für die Scherfestigkeit c_u,k  des undränierten Bodens und dem erforderlichen Pfahlfußwiderstand R1_b,k  kann jetzt aus den Nomogrammen Bild 5.5 bis 5.10 der EA-Pfähle das erforderliche Pfahlfußvolumen V bestimmt werden.  

Es wird allerdings ausdrücklich daraufhin gewiesen, dass das so ermittelte Pfahlfußvolumen nur zur Vorbemessung dient. Der Nachweis des Grenzzustandes der Tragfähigkeit ist mit der auf den letzten beiden Rammmetern geleisteten Rammarbeit zu führen, vgl. die Hinweise in EA-Pfähle 5.4.5.3.

Für die Ermittlung der Pfahlwiderstände von weiteren Pfahlarten, wie z.B.

• Simplexpfähle
• Atlaspfähle
• Fundexpfähle
• Verpresste Verdrängungs- und Mikropfähle

werden in der EA-Pfähle Erfahrungswerte zur Berechnung der axialen Pfahlwiderstände angegeben.

Auf der Baustelle sind Zugpfähle stets durch Pfahlprobebelastungen zu beproben.

mit

E₂ = Beanspruchung eines Einzelpfahls im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit SLS
R₂ = Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit SLS

Bei Pfahlgruppen beteiligen sich verschiedene Pfähle mit unterschiedlichen Anteilen an der Lastabtragung. So sind bei Druckpfahlgruppen in der Regel die Eckpfähle am stärksten belastet. 
Der aktivierte Widerstand kann mit Hilfe von widerstandsbezogenen Gruppenfaktoren und dem Pfahlwiderstand eines vergleichbaren Einzelpfahls berechnet werden. Ein Näherungsverfahren mit Nomogrammen zur Bestimmung des setzungsbezogenen und widerstandsbezogenen Pfahlgruppenverhaltens wird in der EA-Pfähle angegeben.

• Nachweis der Sicherheit gegen Materialversagen.

Eine programmtechnische Lösung des Problems ist das Lösen der Differentialgleichung des elastisch gebetteten Pfahls (Biegebalkens) unter den gegebenen Randbedingungen: