Großmaßstäbliche Versuche zum Last-Verformungsverhalten von Mikropfählen und vorgespannten Ankern im typischen Wiener Baugrund

Abstract

Die Stadt Wien, als einer der größten Auftraggeber Österreichs, sieht aufgrund der geänderten Normenlage einen Forschungsbedarf auf dem Gebiet des Spezialtiefbaues, insbesondere in den in Wien am häufigsten vorkommenden Bodenarten, dem Donauschotter und dem Miozän. Die wesentlichste Änderung in den aktuellen Normen betrifft die Bemessungsmöglichkeit der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit anhand von Probebelastungen, um auf tatsächlich vorhandene Bodenwiderstände schließen zu können. Seitens des Magistrats der Stadt Wien (Magistratsabteilung 29 - Brückenbau und Grundbau) wurde daher ein umfangreiches Forschungsprojekt initiiert, das Probebelastungen diverser Spezialtiefbauelemente umfasste. Durch die Probebelastungen in vergleichbarem Baugrund ist es möglich, die normgemäß anzusetzenden Modellfaktoren für die Bemessung von Pfahlgründungen und Verankerungen bei ähnlichen Verhältnissen zu reduzieren. Bisher basierte die Abschätzung von Bodenwiderständen großteils auf Erfahrungs- oder Tabellenwerten. Aufgrund der normativen Vorgaben hinsichtlich der Anzahl der erforderlichen Pfahlprobebelastungen werden jeweils fünf gleichartige Pfähle bzw. Anker in gleichartigem Baugrund untersucht. Somit ist gemäß ÖNORM B 1997-1-1 auch eine Reduktion der Werte der Streuungsfaktoren möglich. Als Mikropfähle werden Bohrpfähle mit einem Durchmesser kleiner 300 mm und Verdrängungspfähle mit einem Durchmesser kleiner 150 mm bezeichnet. Sie dienen hauptsächlich der Lastübertragung in tieferliegende tragende Schichten. Die Hauptanwendungsgebiete liegen in der Gründung bzw. Gründungssanierung, der Fundamentverstärkung, der Hangsicherung und der Verankerung von Dichtsohlen. Der Einbau kann senkrecht oder geneigt erfolgen, um eventuelle horizontale Kräfte aufnehmen zu können. Das Stahltragglied kann aus einem Stahlkern, einem Stahlrohr oder einem Bewehrungskorb bestehen. Das Verpressen des Pfahls dient dem Korrosionsschutz des Stahltraggliedes, der Kraftübertragung in den Boden, der Knickaussteifung und der Bettung im Untergrund. Die Traglastprüfungen an 27 Mikropfählen (10 Druck- und 17 Zugpfähle) wurden auf eine bestimmte Bodenschicht bezogen. Um diese Schichten ansprechen zu können, wurde die Mantelreibung in den anderen Schichten durch ein Hüllrohr ausgeschaltet. Ein Verpressanker ist eine zugfeste Verbindung ohne Druck- und Biegetragfähigkeit. Er besteht aus einem Ankerkopf, einer freien Ankerlänge (Zugglied) und einer Krafteintragungslänge, die durch Verpressmörtel mit dem Baugrund verbunden ist. Die Bezeichnung „Baugrund“ beinhaltet sowohl Boden als auch Fels. Für Verankerungen von Baukonstruktionen für Baugrubensicherungen, Stützbauwerke und Hangsicherungen wird nach ÖNORM B 1997-1-1 zwischen Verpressankern, Verpresspfählen und Nägel unterschieden. An den Verpressankern wurden Untersuchungsprüfungen durchgeführt und dabei der Herausziehwiderstand, das Kriechverhalten, die kritische Kriechkraft Pc, die rechnerische freie Stahllänge Lapp, die rechnerische mittlere Mantelreibung und die Reibungsverluste ermittelt. Insgesamt wurden 20 Verpressanker unterschiedlichen Typs und unterschiedlicher Neigung geprüft. Das Ziel dieser Diplomarbeit war die Durchführung und Auswertung von großmaßstäblichen Versuchen zum Last-Verformungsverhalten von Mikropfählen und vorgespannten Ankern im Rahmen des Forschungsprojekts „Unteres Hausfeld“ im typischen Wiener Baugrund. Die Forschungsergebnisse sollen später allen planenden Abteilungen der Stadt Wien zugänglich gemacht werden, damit sie in weiterer Folge in andere Projekte einfließen und diese optimieren können. Die Kernaufgaben im Zuge meiner Diplomarbeit lagen neben der versuchstechnischen Betreuung vor Ort hauptsächlich in der Auswertung und Aufbereitung der durch die Probebelastungen von Mikropfählen und Verankerungen erhobenen Daten.

The City of Vienna, as one of the largest contracting authorities in Austria, identified a need for research in the field of foundation engineering due to the paradigm change of standards exemplary applied to the most frequent soil types found in Vienna, the quarternary Danube gravel, and the miocene sediments. The most significant change in the current standards is the design of the ultimate limit state (ULS) and serviceability limit state (SLS) based on load tests in order to be able to derive characteristic ground resistances. The Municipal Authority of Vienna (Municipal Department 29 - Bridge Construction and Ground Engineering) therefore initiated a comprehensive research project that included load tests on various foundation elements. Due to the load tests in a comparable ground, it is possible to reduce the standard model factors for the design of pile foundations and anchors. So far, the estimation of soil resistances was based largely on experience or table values. Due to the normative requirements regarding the number of required load tests, five similar piles or anchors were investigated in similar ground. This allows to minimize the correlation factors according to ÖNORM B 1997-1-1. Micro piles are bored piles with shaft diameters of less than 300 mm and displacement piles with shaft diameters of less than 150 mm. They are mainly used for load transfer to deeper load-bearing layers. The main areas of application are foundation elements and foundation rehabilitation, foundation reinforcement, slope stabilization and the anchoring of sealing beds (horizontal cut-offs). Installation can be vertical or inclined to accommodate any horizontal forces. The load-bearing element may consist of a steel core, a steel pipe, or a reinforcement cage. The grouting of the pile serves for the corrosion protection of the steel structural member, the transfer of force into the ground, the prevention of buckling, and the bedding in the ground. The load tests were embedded on a specific soil layer. The skin friction in the other layers was eliminated by a double casing to address these layers. A ground anchor is a tension-proof connection without pressure and bending capacity. It consists of an anchor head, a tendon free length (tendon), and a fixed anchor length which is connected to the ground by grout. The term "ground" includes both soil and rock. A differentiation is made according to ÖNORM EN 1997-1-1 between ground anchors, grouted piles and nails for anchorages of construction structures for excavation pits, retaining structures, and slope stabilization. Investigation tests were carried out on the anchors and the pull-out resistance, the creep behavior, the critical creep force Pc, the calculated free steel length Lapp, the arithmetic average skin friction and the friction loss were determined. A total of 20 ground anchors were tested. The aim of this diploma thesis was the investigation of field scale tests on the load displacement behavior of micro piles and prestressed anchors within the scope of the research project “Unteres Hausfeld” in the typical Viennese ground. All planning departments of the City of Vienna can benefit from the research results to optimize further projects. The main tasks of the diploma thesis were the on-site-experimental technical support and the evaluation and processing of the data collected by the load tests on micro piles and prestressed anchors.