Mechanismen der Pfropfenbildung in offenen Querschnitten in Abhängigkeit des Einbringverfahrens
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Während der Rammung offener Profile, wie z. B. Rohr- und Spundwandprofile, kann es in Abhängigkeit verschiedener Einflussfaktoren zu einer Verspannung des Bodens im Profilinnern kommen. Dies führt schließlich zu einer Pfropfenbildung. Durch die Bildung eines festen Pfropfens am Pfahlfuß wird auf der einen Seite die vertikale Tragfähigkeit erhöht, gleichzeitig steigt aber auch der Rammwiderstand. Bis heute ist es schwierig, eine Pfropfenbildung in Abhängigkeit der verschiedenen Einflussfaktoren belastbar zu prognostizieren. Insbesondere beinhalten in der Literatur beschriebene Verfahren in der Regel nicht den Einfluss des Einbringverfahrens. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde die Pfropfenbildung bei einer Pfahlinstallation in granularen Boden mit Hilfe unterschiedlicher Untersuchungsmethoden betrachtet. Hierbei handelt es sich um einen in-situ Feldversuch zur Ermittlung der Entwicklung der inneren und äußeren Spannungen am Pfahlfuß, des Eindringwiderstandes und der Untersuchung Langzeitstabilität eines potentiellen Pfropfens im Realmaßstab. eine Versuchsreihe in der geotechnischen Zentrifuge, in deren Rahmen ebenfalls die Spannungen innerhalb und außerhalb des Pfahles und der Eindringwiderstand bzw. die Tragfähigkeit ermittelt werden. Bei diesen Versuchen werden gezielt die Parameter Einbringverfahren, Profilgeometrie und Lagerungsdichte des Bodens bei reproduzierbaren Verhältnissen und einem realitätsnahen Spannungsniveau im Modellversuch betrachtet. numerische Simulationen zur Ergänzung der zuvor dargestellten experimentellen Untersuchungen. Die numerischen Modelle werden mit Hilfe der Messdaten validiert. Mit den validierten Modellen werden ergänzend in den Versuchen nicht betrachtete Parameter variiert. Zudem können komplexe geotechnische Fragestellungen untersucht werden, die bislang numerisch nicht lösbar waren. Mit Hilfe all dieser Untersuchungen ist es möglich, empirische Beziehungen zur Beschreibung des Spannungszustandes in einem Bodenpfropfen zu entwickeln. Diese Beziehungen sind in Abhängigkeit der wesentlichen Einflussgrößen (Profilgeometrie und Lagerungsdichte des Sandes) definiert. Zudem kann anhand der Untersuchungen der Einfluss des Einbringverfahrens berücksichtigt werden. Unter Verwendung der empirischen Beziehungen zur Ermittlung des Spannungszustandes im Pfropfen ist es anhand einer Gleichgewichtsbetrachtung am Bodenpfropfen möglich, einen Berechnungsansatz zur Ermittlung der Tragfähigkeit des Bodenpfropfens im Profil zu entwickeln. Dieser Ansatz wird mit den Ergebnissen der messtechnischen Untersuchungen im Feld und in der Zentrifuge verglichen. Es zeigt sich hierbei, dass die gemessenen Werte mit dem Berechnungsmodell gut reproduziert werden können. Somit bietet diese Arbeit der Baupraxis ein einfaches Verfahren, mit dessen Hilfe die Tragfähigkeit eines Bodenpfropfens in Abhängigkeit der wesentlichen Einflussgrößen abgeschätzt werden kann. Mit Hilfe der in diesem Projekt durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen war es möglich, einen ersten Berechnungsansatz zur Ermittlung der Tragfähigkeit eines Bodenpfropfens in offenen Profilen beliebigen Querschnitts zu entwickeln. Hierbei sind jedoch alle Untersuchungen auf trockenen granularen Boden beschränkt. Somit ergeben sich hieraus weitere Forschungsfelder, die ergänzend bearbeitet werden müssen: Untersuchung der Pfropfenbildung in bindigen Böden: Es stellt sich die Frage, ob die gewonnenen Erkenntnisse auch auf bindige Böden übertragbar sind. Hierzu sind ergänzende messtechnische Untersuchungen (z. B. Installation der bereits in Sand getesteten Profile in bindigen Kaolin Ton in der geotechnischen Zentrifuge) und numerische Simulationen (z. B. unter Verwendung des visko-hypoplastischen Stoffmodells nach Niemunis, 2003) erforderlich. Untersuchung des Einflusses von Porenwasser auf die Pfropfenbildung: Bislang ist die Berücksichtigung von Porenwasser in numerischen Simulationen mit expliziter Zeitintegration nicht möglich. Dies ist jedoch erforderlich, um den Einfluss des Porenwassers auf die Pfropfenbildung in offenen Profilen zu untersuchen. Hierzu laufen zurzeit wissenschaftliche Arbeiten am Institut für Geotechnik und Baubetrieb der TU Hamburg-Harburg. Aufbauend auf diese Untersuchungen können weiterführende numerische Simulationen durchgeführt werden, um den Einfluss des Porenwassers auf eine Pfropfenbildung zu untersuchen. Zudem ist eine vertiefte Verifikation des in diesem Forschungsprojekt erarbeiteten Berechnungsmodells anzustreben. Hierzu ist eine Zusammenarbeit mit der Baupraxis erforderlich, die unabhängige Messdaten liefern muss, mit denen das empirische Modell verifiziert werden kann. Weiterhin zeigten die numerischen Simulationen die sehr gute Eignung zur Untersuchung der Mechanismen der Pfropfenbildung in offenen Profilen. Das Modell konnte mit den in diesem Projekt gewonnenen Messdaten erfolgreich validiert werden. Somit ist es hiermit möglich auch komplexere Fragestellungen, wie z. B. den Einfluss neuartiger Installationsverfahren (z. B. Gyropiling, d. h. eine Kombination aus Eindrücken und gleichzeitigem Drehen eines Rohres zur Reduktion der Mantelreibung) wissenschaftlich zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2010): The Influence of the Installation Method on Soil Plugging in Open-Ended Piles. Proceedings of 4th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation in Cape Town (South Africa)
Henke S.
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(2012): Field measurements regarding the influence of the installation method on soil-plugging in tubular piles. Acta Geotechnica
Henke S. and Grabe J.
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(2012): Full-Scale Site Investigations on Soil-Plugging Inside Tubular Piles. Proc. of 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Rio de Janeiro. OMAE2012-83038
Henke S.
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(2012): Large Deformation Numerical Simulations Regarding the Soil Plugging Behaviour Inside Open-Ended Piles. 31st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Rio de Janeiro
Henke S.
