Untergrundverbesserung und Tiefgründung für Fahrwege und Ingenieurbauwerke von Schienenwegen – Zwischen Regellösungen und Zulassung im Einzelfall Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Moormann Universität Stuttgart, Institut für Geotechnik (IGS), Stuttgart, Deutschland Moormann Geotechnik Consult, Stuttgart, Deutschland Dipl.-Ing. Patrik Buhmann Universität Stuttgart, Institut für Geotechnik (IGS), Stuttgart, Deutschland Zusammenfassung Für Ingenieurbauwerke und Infrastrukturmaßnahmen werden bei ungünstigen Baugrundverhältnissen, die eine den Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit oder gar Standsicherheit entsprechende Flachgründung nicht ermögli-chen, neben einer konventionellen Pfahlgründung Baugrundverbesserungsmethoden als ein technisch und ökonomisch meist vorteilhaftes Gründungskonzept eingesetzt. Neben Untergrundverbesserungsmaßnahmen, die auf eine Verände-rung der Eigenschaften des anstehenden Untergrunds in der Form abzielen, dass ein flächig verbessertes, gleichmäßiges Tragverhalten erzielt wird, kommen zunehmend rasterförmig angeordnete, Säulen bzw. pfahlartige Tragglieder unter-schiedlicher Ausführung zum Einsatz, mit denen die Einwirkungen - je nach Steifigkeit von Säule und Untergrund - eher punktuell in die tieferen und meist tragfähigeren Schichten abgetragen werden, ohne jedoch die mittragende Wir-kung des zwischen den Säulen anstehenden Bodens aufzugeben. Für derartige „punktförmige“ Tragglieder unter Inge-nieurbauwerken und Fahrwegen bestehen keine allgemein anerkannte Bemessungs- und Nachweisverfahren, so dass häufig projektspezifische Betrachtungen im Einzelfall erforderlich werden, was insbesondere für Schienenwege der Deutschen Bahn gilt. Im Rahmen des Beitrags sollen Hinweise zur Bemessung und zum Nachweis sowie zur Risikobe-urteilung und zur Ausführung von solchen Baugrundverbesserungen mit „pfahlartigen Tragelementen“ vorgestellt werden.

1 Einführung

In den geltenden bahnspezifischen Regelwerken wie der Ril 836 [1] wird für Fahrweggründungen der Deut-schen Bahn AG zwischen Untergrundverbesserungs-maßnahmen und Tiefgründungen unterschieden. Wäh-rend Untergrundverbesserungen im Sinne dieser Rege-lungen auf eine Veränderung der Eigenschaften des anstehenden Untergrundes im Sinne eines verbesserten gleichmäßigen Tragverhaltens abzielen, ist für Tief-gründungen der Lastabtrag über Einzelelemente in tiefer liegende, tragfähige Baugrundschichten charakte-ristisch. Die Anforderungen an das Bemessungs- und Nachweiskonzept unterscheiden sich nachhaltig.

Insbesondere bei Gründungen mit Säulen und „pfahl-artigen Traggliedern“, ist indes die Unterscheidung in die Kategorien „Untergrundverbesserung“ und „Tief-gründung“ häufig nicht eindeutig möglich. Dies gilt insbesondere, wenn Elemente mit im Vergleich zu dem umgebenden Boden deutlich höherer Steifigkeit zum Einsatz kommen, beispielsweise Rüttelortbetonsäulen, Verdrängungsbetonsäulen oder CMC-Säulen.

Während für Fahrweggründungen noch die vorge-nannten, wenn auch nicht eindeutigen und abschlie-ßenden Regelungen bestehen, fehlen entsprechende Vorgaben für Ingenieurbauwerke von Schienenwegen vollständig, so dass im Regelfall Zulassungen im Ein-zelfall erforderlich werden.

Das Normenhandbuch Eurocode 7, Band 1, enthält in seiner derzeitigen Fassung keine direkten Aussagen zu Baugrundverbesserungen, sondern unterscheidet ledig-lich die konventionellen Gründungsformen einer Flachgründung, einer Pfahlgründung und einer Kom-binierten Pfahl-Plattengründung (KPP). Insoweit ob-liegt es dem Ingenieur, in Abhängigkeit von den pro-jektspezifischen Randbedingungen zu entscheiden, ob die Bemessung einer Baugrundverbesserung mit „stei-fen“ Säulen bzw. pfahlartigen Tragelementen als Flachgründung unter Ansatz von durch die

Baugrundverbesserung erhöhten Bodenkennwerten, als Pfahlgründung unter der Annahme, dass 100 %

der Einwirkungen auf die als annährend „starr“ an-genommenen Säulen entfällt, oder

als eine Art KPP unter Berücksichtigung der kom-binierten Tragwirkung von Säulen und umgeben-den Boden

erfolgt (Bild 1) - eine Entscheidung, die letztlich die Kenntnis des tatsächlichen Tragverhaltens der Bau-grundverbesserung bedingt.

Im Rahmen der Überarbeitung des Eurocode 7 wer-den derzeit die Definition und der Umgang mit solchen „rigid inclusions“ genannten „steifen Säulen“ sowie die Abgrenzung bzw. Überschneidung mit „Pfählen“ diskutiert.

Im vorliegenden Beitrag sollen Hinweise zu Bemes-sung und Nachweiskonzepten, zur Risikobeurteilung und zur Ausführung von solchen Baugrundverbesse-rungen mit „pfahlartigen Tragelementen“ gegeben und Anregungen für einen ganzheitlichen Bemessungsan-satz formuliert werden. 2 Definitionen in bestehenden Regelwerken

2.1 Nationale und internationale Regelungen

In der aktuellen Fassung des Eurocode 7 bzw. des Normenhandbuchs EC 7, Band 1, werden Bodenver-besserungen nur sehr knapp und unspezifisch in Ab-schnitt 5.5 behandelt, ohne dass die sehr unterschiedli-chen Formen von Baugrundverbesserungsmethoden thematisiert oder gar berücksichtigt werden. Für Bau-grundverbesserungen mittels Säulen oder pfahlartigen Tragelementen obliegt es daher, wie zuvor dargestellt, dem Ingenieur, ein geeignetes Berechnungsmodell zu wählen und ein Nachweiskonzept in Anlehnung an die drei im EC 7-1 definierten Gründungformen, i.e. eine Flachgründung, eine Pfahlgründung oder eine Kombi-nierte Pfahl-Plattengründung, zu wählen.

Im Rahmen der vorbereitenden Abstimmungen zur Erarbeitung der nächsten Generation der Eurocodes, deren Herausgabe für 2020 geplant ist, hat die Evoluti-on Group 14 „Ground Improvement“ des TC250/SC7 Vorschläge für die zukünftige Regelung von Boden-verbesserungen im Rahmen des Eurocode 7 erarbeitet. Im Hinblick auf die vorliegend relevante Thematik

einer Baugrundverbesserung mit Säulen bzw. pfahlar-tigen Tragelementen enthalten diese Vorschläge die Definition von „rigid inclusions“ als diskrete, im Bau-grund hergestellte Elemente mit definierten geometri-schen und mechanischen Eigenschaften, die - quantifi-ziert durch eine einaxiale Druckfestigkeit - deutlich steifer als der umgebende Baugrund sind und die von dem zu gründenden Bauwerk „entkoppelt“ sind (Bild 2). Die zur „Entkoppelung“ eingesetzte lastver-teilende Tragschicht („load transfer platform“) kann aus einer Tragschicht gut verdichteten granularen Ma-terials (´ungebunden´), bindemittelstabilisierten (bindi-gen) Materials (´gebunden´) oder einer bewehrten Tragschicht (´bewehrt´) bestehen. Analog dem in Deutschland für eine Kombinierte Pfahl-Platten-gründung (KPP) in [2] definierten Vorgehen wird von der Evolution Group ein rechnerischer Nachweis der Lastaufteilung in Säulen und Boden sowie der Nach-weis der inneren Tragfähigkeit der Säulen (STR) ge-fordert, während ein Nachweis der äußeren Tragfähig-keit (ULS) der Säulen (GEO) nicht erforderlich ist.

Der Arbeitskreis 2.8 „Stabilisierungssäulen“ der DGGT erarbeitet Empfehlungen für Stabilisierungssäu-len, die als Trocken- und Nassmörtelsäulen, hydrau-lisch gebundene Stopfsäulen sowie Bodenmischsäulen ausgeführt werden können. Die noch nicht veröffent-lichten Empfehlungen, die über frühere Ansätze für CSV-Säulen [3] weit hinausgehen werden, sollen As-pekte der Planung, der Bemessung und der Nachweis-führung für die vorgenannten hydraulisch gebundenen, unbewehrten Säulen mit relativ kleinen Durchmessern enthalten [4]. Das für eine Gründung mittels Stabilisie-rungssäulen (STS) entwickelte Nachweiskonzept sieht im Entwurf Fallunterscheidungen in Abhängigkeit des zu berechnenden Steifigkeitsverhältnisses zwischen dem Bettungsmodul der Säulen ks,StS und dem Bet-tungsmodul des dazwischen anstehenden Bodens ks vor. Je nach Steifigkeitsverhältnis ks,StS/ks wird ein gemeinsamer Lastabtrag von „weichen“/duktilen Säu-len und Boden („schwimmende Gründung“) oder ein einer Pfahlgründung entsprechendes Tragverhalten der

Bild 1 Gründungskonzepte nach Handbuch Eurocode 7, Band 1, und Baugrundverbesserung mit pfahlartigen Tragelementen und Entkopplung durch lastverteilende Tragschicht (nach [4])

Bild 2 Baugrundverbesserung mittels Säulen bzw. pfahlartigen Traggliedern und Entkoppelung vom Bauwerk durch Tragschicht

„starren“ Säulen vorausgesetzt und ein entsprechendes Nachweisschema empfohlen. In [6] wird gestützt auf Ansätze von Priebe [7], Kirsch [8] und EBGEO [9] ein Steifigkeitsverhältnis von ks,StS/ks = 40 bis 50 zwischen Säule und Boden als obere rechnerisch anzusetzende Grenze für Baugrundverbesserungsverfahren bezeich-net.

Empfehlungen zur Bemessung und zum Nachweis von Baugrundverbesserungen mit Säulen und pfahlar-tigen Tragelementen sind auch aus Skandinavien und Frankreich bekannt. Die französische Richtlinie „ASIRI Amélioration des sols par les inclusions

rigides“ [5] ist die wohl derzeit umfassendste Empfeh-lung für die Bemessung von Baugrundverbesserungen mit „rigid inclusions“. 2.2 Regelungen für Schienenwege

Für Fahrweggründungen der Deutschen Bahn AG auf nicht ausreichend tragfähigem Untergrund unterschei-den die bestehenden bahnspezifischen Regelwerke, hier die Ril 836, zunächst grundsätzlich zwischen „Un-tergrundverbesserungsmaßnahmen“ (Modul 4202) und „Tiefgründungen“ (Modul 4203).

Dabei sind Untergrundverbesserungen als Maßnah-men definiert, „die ein verbessertes gleichmäßiges Tragverhalten des Bodens im gesamten Ausbreitungs-bereich einer Oberflächenbelastung zum Ziel haben“. Gründungssysteme, bei denen die Einwirkungen „überwiegend“ über Einzelelemente mit und ohne Mitwirkung des umgebenden Bodens in den tieferen Untergrund abgetragen werden, gelten indes als Tief-gründungen im Sinne des Moduls 4203, bei denen der Nachweis der Krafteinleitung in die Einzelelemente nachzuweisen ist. Dabei ist die Einbindung der Säulen in tragfähige Bodenschichten bzw. die Ausbildung als „schwimmende Gründung“ das maßgebende Unter-scheidungskriterium: Nach Modul 4202 werden „Ver-pfählungen“ als Untergrundverbesserung verstanden, soweit „der anstehende Untergrund durch Einbringen engstehender Pfähle oder Säulen, in der Regel als schwimmende Gründung, in seinem Scherverhalten anisotrop verbessert wird“. Werden durch die Pfähle

Tab. 1 Ansatz zur Klassifizierung und Abgrenzung der Risikoeinstufung von klassischen Baugrundverbesserungs-verfahren und pfahlähnlichen Tragelementen zur Baugrundverbesserung (basierend auf [6])

oder Säulen hingegen „planmäßig oder herstellungsbe-dingt Lasten in tragfähige Bodenschichten eingetragen, ist eine Tiefgründung nach den Regelungen des Mo-duls 4203 auszubilden“. Eine konkrete Entscheidungs-hilfe für die Klassifizierung fehlt indes.

Nach Ril 836 sind für „Verpfählungen“ zugelassene oder geregelte Elemente zu verwenden, wobei neben biegesteifen Pfahlelementen bei begrenzten Horizontal-lasten auch Stabilisierungssäulen zum Einsatz kommen können.

Auch für den Fall, dass die Säulen in diesem Sinne als Untergrundverbesserung betrachten werden kön-nen, ist durch einen entsprechenden Nachweis der inneren Tragfähigkeit nachzuweisen, dass die in den Säulen gegebenenfalls auftretenden Querbeanspru-chungen aufgenommen werden können. 3 Verfahren und Risiken der Bauausführung

Für Baugrundverbesserungen mit pfahlartigen Tra-gelemente werden im Regelfall unbewehrte Elemente mit entsprechender axialer Steifigkeit eingesetzt wie Betonrüttel- bzw. Rüttelortbetonsäulen, Verdrän-gungsbetonsäulen, CMC-Säulen o.ä., im Einzelfall können aber auch Fertigteilrammpfähle aus Beton, Mikropfähle oder andere Pfahlsysteme eingesetzt wer-den.

Wehr & Sondermann (2012) [6] entwickeln einen wichtigen Ansatz zur Klassifizierung und Abgrenzung der Risikoeinstufung von klassischen Baugrundverbes-serungsverfahren und pfahlähnlichen Tragelementen zur Baugrundverbesserung, dessen wesentlicher kon-zeptioneller Ansatz in Tabelle 1 zusammengefasst wird.

Danach ist insbesondere bei unbewehrten Säulen mit kleinem Durchmesser (D 30 cm) und im Verhältnis zum umgebenden Boden hoher axialer Steifigkeit, also Systemen der Kategorie C, besondere Sorgfalt hin-sichtlich der Berechnung und Bemessung geboten, da eine Fehleinschätzung der inneren Beanspruchung der Säulen unter vertikalen und horizontalen Einwirkungen aus Bauwerkslasten und/ oder Bodenverschiebungen

zu einem Versagen der Säulen und einem damit ver-bundenen Verlust der Gesamtstandsicherheit der Grün-dung führen kann. In diesem Zusammenhang ist für die Säulen auch die Sicherheit gegen Knicken zu untersu-chen. Darüber hinaus ist bei der Bauausführung beson-ders darauf zu achten, dass die Säulen durch Bodenhe-bungen, Erdarbeiten oder Baustellenverkehr nicht unbeabsichtigt auf Querkraft oder Zug beansprucht werden und infolge dessen abscheren oder reißen. 4 Tragverhalten von „rigid inclusions“

Das Tragverhalten von Baugrundverbesserungsverfah-ren mit „steifen“ Säulen bzw. pfahlähnlichen Tragele-menten ist von den Wechselwirkungen zwischen dem direkt über Sohlspannungen in den Boden eingetrage-nen Lastanteil und den durch diesen verursachten Set-zungen sowie den auf die Säulen entfallenden Lastan-teil und dem hieraus resultierenden Widerstandsset-zungsverhalten der Säulen abhängig, das wiederum durch die mögliche Einbindung der Säulen in tragfähi-gere, steifere Schichten beeinflusst wird.

Die das Tragverhalten einer solchen Baugrundver-besserung mit „rigid inclusions“ und lastverteilender Tragschicht prägenden Wechselwirkungen ähneln dabei den das Tragverhalten einer Kombinierten Pfahl-Plattengründung (KPP) prägenden Interaktionseinflüs-sen zwischen Platte und Pfählen [10, 11]. So beein-flusst der direkt über Bodenpressung abgetragene Lastanteil das Spannungsniveau im Boden und damit die mobilisierbare Mantelreibung der Säulen.

Anders als bei einer KPP, bei der die Pfähle in der Regel mit der meist steifen Bodenplatte kraftschlüssig verbunden sind und bei der die Entkopplung der Pfahl-köpfe von der Bodenplatte der Ausnahmefall ist [12, 13], wird das Tragverhalten von Baugrundverbesse-rungen mit entkoppelten, pfahlartigen Tragelementen - zusätzlich zu den die KPP prägenden Wechselwirkun-gen - durch die aus der lastverteilende Tragschicht resultierenden Interaktionen geprägt: Diese zwischen dem Bauwerk und den Säulenköpfen angeordnete lastverteilende nachgiebige Schicht beeinflusst maß-

Bild 3 Tragverhalten von Baugrundverbesserungsverfahren mit pfahlähnlichen Tragelementen

geblich die Lastaufteilung zwischen Säulen und Boden (Bild 3) und damit für das Gesamttragverhalten, wobei die dabei in der Tragschicht mobilisierte Gewölbewir-kung und die Lastkonzentration auf den Säulen (siehe Bild 2) insbesondere von der Mächtigkeit der Trag-schicht sowie von der Steifigkeit und der Scherfestig-keit des Tragschichtmaterials abhängig ist [14, 15, 16]. Das Trag- und Verformungsverhalten der lastverteilen-den Schicht ist ferner für die Mobilisierung von nega-tiver Mantelreibung im oberen Bereich der Säulen verantwortlich (Bild 3), wodurch es in den Säulen bis zur neutralen Ebene zunächst zu einer Zunahme der inneren Normalkraftbeanspruchung kommt und der Lastabtrag in den Baugrund über (positive) Mantelrei-bung und Spitzendruck erst im unteren Abschnitt der Säulen erfolgt. Die Säulen sind dabei bezüglich ihrer äußeren Tragfähigkeit (Widerstand) in der Regel deut-lich höher ausgenutzt als bei einer konventionellen Pfahlgründung. 4 Variantenstudie

Im Rahmen einer Konzeptstudie wurde das Tragver-halten von unterschiedlich konzipierten Baugrundver-besserungen unter einem in einem Stahlbeton-Trog geführten zweigleisigen Schienenweg, also einem Ingenieurbauwerk, untersucht. Die Baugrundsituation ist durch bindige Deckschichten weicher und steifer Konsistenz über einer als Halbfestgestein ausgebilde-ten steiferen Schicht geprägt (Bild 4), wobei in der vorliegenden Studie die Steifigkeit des Halbfestge-steins um den Faktor 8 höher angesetzt wird als die Steifigkeit der bindigen Deckschichten. Untersucht wurden neben einer klassischen Flachgründung eine Baugrundverbesserung mittels im Rüttelstopfverfahren (RSV) hergestellten Schottersäulen (D = 70 cm), die in einem dreiecksförmigen Raster von e = 1,7 cm an-geordnet sind, und eine Baugrundverbesserung mittels Stabilisierungs- bzw. Betonsäulen (STS) (D = 32 cm), die ebenfalls in einem dreiecksförmigen Raster mit e = 1,7 m angeordnet werden. Für beide Baugrundver-besserungsformen wurde jeweils die Variante einer „schwimmenden Gründung“ untersucht, bei der die Fußebene der Säulen 1,0 m über der Oberfläche des steiferen Halbfestgesteins endet, als auch eine Varian-te, bei der die Säulen 2,5 m in das Halbfestgestein einbinden. In allen vorgenannten Varianten werden die RSV- bzw. STS-Säulen mittels einer 0,5 m mächtigen granularen Tragschicht von der Bodenplatte des Trog-bauwerks entkoppelt. Im Sinne einer Grenzbetrachtung wird zusätzlich noch eine Variante untersucht, bei der die in das Halbfestgestein einbindenden STS-Säulen ohne lastverteilende Tragschicht direkt an die Boden-platte des Trogs angeschlossen werden.

Die Berechnungen wurden mit einem dreidimensio-nalen Finite-Element Modell (PLAXIS 3D) unter Ansatz eines spannungsabhängigen elastoplastischen Stoffge-setzes (´Hardening Soil small strain´) durchgeführt.

Die in Tabelle 2 zusammengefassten Berechnungser-gebnisse zeigen, dass sowohl bei dem Einsatz der RSV-

a) Grundriss b) Schnitt

Bild 4 Baugrundverbesserung mittels Säulen bzw. pfahlartigen Traggliedern und Entkoppelung vom Bauwerk durch Tragschicht

Setzung [cm] Lastverteilung

Säulen / Boden [%]

Mobilisierte

Säulenkraft [kN]

a) Flachgründung

4,7 cm 100 % / 0 % -

b) RSV-Säulen ohne Einbindung + Tragschicht

2,6 cm 44 % / 56 % 68 kN

c) RSV-Säulen mit 2,5 m Einbindung + Tragschicht

2,4 cm 46 % / 54 % 72 kN

d) STS-Säulen ohne Einbindung + Tragschicht

1,7 cm 34 % / 66 % 56 kN

e) STS-Säulen mit 2,5 m Einbindung + Tragschicht

1,2 cm 36 % / 64 % 59 kN

f) STS-Säulen mit 2,5 m Einbindung, ohne Tragschicht

0,5 cm 81 % / 19 % 88 kN

Tab. 2 Rechnerische Ergebnisse der Variantenstudie

Säulen als auch bei den deutlich steiferen STS-Säulen, der Charakter einer Baugrundverbesserung erhalten

bleibt. Während bei Rüttelstopfsäulen der über die Säulen abgetragene Lastanteil bei 44 % bis 46 % liegt, ist dieser bei dem Einsatz von im Querschnitt deutlich kleineren, aber steiferen Stabilisierungssäulen mit 34 % bis 36 % kleiner, so dass trotz der steiferen Säu-len auch hier der größere Lastanteil von 64 % bis 66 % direkt über die Bodenspannungen abgetragen wird; der Anteil der mittragenden Wirkung des anstehenden Bodens ist also bei der Anwendung der Betonsäulen höher als bei der Rüttelstopfverdichtung. Durch die Einbindung der Säulen in das unterlagernde Halbfest-gestein ergibt sich für beide Varianten (RSV, STS) bei den gewählten Steifigkeitsverhältnissen keine wesent-liche Beeinflussung hinsichtlich Lastverteilung und Säulenkraft.

Werden die in das Halbfestgestein einbindenden Be-tonsäulen ohne lastverteilende Tragschicht an die Soh-le des Trogbauwerks angeschlossen, wird die mittrag-ende Wirkung der Bodenplatte deutlich reduziert, bei dieser Variante werden bis zu rund 81 % der Einwir-kungen von den Betonsäulen aufgenommen. Dies zeigt die maßgebliche Bedeutung einer lastverteilenden Tragschicht für die Lastaufteilung in solchen Bau-grundverbesserungen mit „rigid inclusions“ und insbe-sondere für die Aktivierung des Lastabtrags über Bo-denspannungen.

Die Spannungsverteilung unter der Bodenplatte ist abhängig von der Mächtigkeit und den bodenmechani-schen Eigenschaften der Tragschicht. Dabei kommt es bei den hier gewählten Randbedingungen bei den STS-Säulen (Bild 5) als auch - in abgeschwächter Form - bei den RSV-Säulen zu einer gewissen Spannungskon-zentration unter der Bodenplatte im Bereich über den Säulenköpfen, wobei die Auswirkungen auf die Stahl-betonbemessung der Bodenplatte im Vergleich zu dem Ansatz eines mittleren Bettungsmoduls gering sind.

Bild 5 Rechnerische Bettungsmodulverteilung für Bodenplatte bei Einsatz von STS-Säulen mit lastverteilender Tragschicht

Bild 6 verdeutlicht die Zusammenhänge durch Visu-lisierung der Vertikalspannungen im Baugrund und im Bereich der Säulen an der Unterkante der granularen Tragschicht. Die Lastkonzentration im Bereich des Kopfes einer Säule hängt zum einen von der Tragwir-kung der lastverteilenden Schicht und zum anderen

von dem Zusammenwirken der Steifigkeiten der am Lastabtrag beteiligten Bauwerks- und Gründungsele-mente sowie des Baugrunds ab. Bei den vorliegenden Bedingungen kommt es zu sowohl für die relativ stei-fen pfahlartigen Betonsäulen, als auch für relativ wei-che Säulen einer Rüttelstopfverdichtung zu Span-nungskonzentrationen oberhalb der Säulenköpfe. Grundsätzlich ist daher im Einzelfall zu prüfen, inwie-weit bei einer durch eine Tragschicht entkoppelten Tragwerksstruktur Spannungskonzentrationen über den Säulen bzw. pfahlartigen Tragelementen zu berück-sichtigen sind.

Bild 6 Vertikalspannungen im Baugrund und im Bereich der Säulen an Unterkante Schotter-tragschicht

5 Resümee

Die vorgestellten Überlegungen und numerischen Variantenuntersuchungen zeigen eindrucksvoll die komplexen Wechselwirkungen, die das Tragverhalten von Baugrundverbesserungen mit pfahlartigen Tra-gelementen prägen und die Parallelen zu einer Kombi-nierten Pfahl-Plattengründung (KPP) zeigen, so dass im Hinblick auf Baugrundverbesserungen mit pfahlar-tigen Tragelementen unter axialer Beanspruchung im Zuge der Überarbeitung des Eurocode 7 auf die ent-sprechenden Regelungen im Abschnitt 7 „Pfahlgrün-dungen“ verwiesen werden kann.

Werden die Säulen bzw. pfahlartigen Tragelemente von dem Bauwerk durch eine lastverteilende Trag-schicht entkoppelt, ist zusätzlich der hierdurch beding-te maßgebliche Einfluss auf die Lastverteilung zwi-schen Säulen und Boden sowie die initiierte negative Mantelreibung im oberen Bereich der Säulen zu be-rücksichtigen – als zwei Wechselwirkungen, die in dieser Form bei KPPs nicht auftreten.

Die vergleichenden Untersuchungen zu duktilen Schottersäulen und steiferen Stabilisierungssäulen zeigt, dass nicht allein das Steifigkeitsverhältnis zwi-schen Säulen und Boden das Tragverhalten der Bau-grundverbesserung beeinflusst und dass nicht per se steifere, aber im Querschnitt dünner Säulen eine risiko-reiche Anwendung darstellen.

Die zuverlässige Beurteilung des Tragverhaltens einer Baugrundverbesserung mittels pfahlartigen Trag-elementen erfordert die Kenntnis des Tragverhaltens und der Wechselwirkungen und damit eine entspre-chend qualifizierte rechnerische Modellbildung des

Gesamtsystems; hierfür eignen sich im besonderen Maße numerische Simulationsmodelle.

Unter den für die hier dokumentierte Variantenstudie gewählten Systembedingungen ist die entkoppelnde Tragschicht ein maßgebendes Unterscheidungskriteri-um gegenüber einer konventionellen Pfahlgründung (siehe Vergleich Variante e) und f) in Tabelle 2). Al-lerdings ist dieses Kriterium für sich kein hinreichen-des Charakteristikum, da weitere Einflüsse, wie die Steifigkeiten der Bodenschichten im Bereich der Säu-leneinbindung das Tragverhalten ebenfalls maßgeblich prägen können.

Vereinfachte Bemessungsansätze zur Abschätzung der Interaktionseinflüsse, wie in Bild 7 skizziert, dürf-ten daher auch zukünftig Vorbemessungen vorbehalten bleiben.

Bild 7 Ersatzmodell für vereinfachte Abbildung des Tragverhaltens einer Baugrundverbesserung mit pfahlartigen Tragelementen und lastver-teilender Tragschicht

Wichtig ist für alle Baugrundverbesserungen mit „steifen“ Säulen der Nachweis der inneren Tragfähig-keit der Säulen unter Berücksichtigung der vertikalen und horizontalen Einwirkungen aus Bauwerkslasten und gegebenenfalls vorhandenen Bodenverschiebun-gen. 6 Literatur

[1] Ril 836 „Erdbauwerke und sonstige geotechni-sche Bauwerke planen, bauen und instandhalten“, 1. Aktualisierung, gültig ab 01.10.2008, DB Netz AG

[2] Richtlinie für den Entwurf, die Bemessung und den Bau von Kombinierten Pfahl-Plattengrün-dungen (KPP) („KPP-Richtlinie“). Hrsg. Arbeits-kreis „Pfähle“ der DGGT, 2001, in: „Kombinierte Pfahl-Plattengründungen“, Hanisch, J., Katzen-bach, R., König . (Eds.), Ernst & Sohn, Berlin, 2002

[3] Merkblatt für die Herstellung, Bemessung und Qualitätssicherung von Stabilisierungs-säulen zur Untergrundverbesserung - Teil I: CSV-Verfahren.

Hrsg. Arbeitskreis 2.8 der DGGT, 1. Nachdruck, Januar 2005

[4] Neidhart, Th. (2014): Bericht des Arbeitskreises 2.8 „Stabilisierungssäulen“ der DGGT. Geotech-nik 3/2014

[5] IREX (2012): ASIRI Amélioration des sols par les inclusions rigides (Recommandations for the design, construction and control of rigid inclusion ground improvements), France

[6] Wehr, J., Sondermann, W. (2012): Risiken bei der Bemessung von Baugrundverbesserungsmethoden und pfahlähnlichen Traggliedern. BauPortal 5/2012, 32-36

[7] Priebe, H. (1995): Die Bemessung von Rüt-telstopfverdichtungen. Bautechnik 72(3), 183-191

[8] Kirch, F. (2004): Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Rüt-telstopfsäulen. Mitteilunten des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik der Technischen Universität Braunschweig, Heft 75

[9] EBGEO (2010): Empfehlungen für den Entwurf und die Berechnung von Erdkörpern mit Beweh-rungen aus Geokunststoffen. Abschnitt 10: „Gründungssysteme mit geokunststoffummantel-ten Säulen“. DGGT, Ernst & Sohn, 2. Aufl.

[10] Katzenbach, R., Moormann, Ch. (2001): Recom-mendations for the design and construction of piled rafts. Proc. XVth ICSMGE, 27-31 August 2001, Istanbul, Balkema, Rotterdam, Vol. 2, 927-930

[11] Nguyen, D. D. C., Kim, D.-S., and Jo, S.-B. 2014. Parametric study for optimal design of large piled raft foundations on sand. Computers and Geotechnics 55, 14–2

[12] Tradigo, F., Pisanò, F., di Prisco, C., Mussi, A. (2015). Non-linear soil–structure interaction in disconnected piled raft foundations. Computers and Geotechnics 63, 121–134

[13] Moormann, Ch., Svensson, H., Humpf, K. (2010): Gründungsoptimierung im internationa-len Großbrückenbau – Neue Entwicklungen und aktuelle Projekterfahrungen. Vorträge der 31. Baugrundtagung, München, 03.-06. November 2010, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (DGGT), Essen, 211-218

[14] Eskişar, T., Otani, J., Hironaka, J. (2012): Visual-ization of soil arching on reinforced embankment with rigid pile foundation using X-ray CT. Geo-textiles and Geomembranes 32, 44–54.

[15] Briançon, L. and Simon, B. 2012. Performance of Pile-Supported Embankment over Soft Soil - Full-Scale Experiment. J. Geotech. Geoenviron. Eng. 138, 4, 551–561

[16] Yun-min, C., Wei-ping, C., and Ren-peng, C. 2008. An experimental investigation of soil arch-ing within basal reinforced and unreinforced piled embankments. Geotextiles and Geomembra-nes 26(2), 164–17