Gutachten 2-seitig - Bundesanstalt für Wasserbau

Bundesanstalt für Wasserbau
Forschungskompendium Verkehrswasserbau 2015
Herstellung von Dränbetonpfählen
Netzplan-Nr.:
A39520270004
Projektleiter:
Dr.-Ing. M. Herten, Geotechnik, Referat Grundbau (G2)
E-Mail:
[email protected]
1 Problemdarstellung und Ziel
1.1 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens
Baumaßnahmen an Bundeswasserstraßen stellen oft hohe Anforderungen an das Baugrubenkonzept.
Große Tiefen und hohe Grundwasserstände sowie beengte Platzverhältnisse und geringe zulässige
Verformungen insbesondere im Bereich von Bestandsbauwerken dominieren die Bauprojekte der WSV.
Unter der Voraussetzung, dass eine offene Wasserhaltung im Baufeld realisierbar ist, können Baugruben
wasserdurchlässig ausgebildet werden. Mit der Maßgabe den Abtrag hoher Lasten verformungsarm zu
ermöglichen, sind Bohrpfahlwände, die in der aufgelösten Form auch durchlässig ausführbar sind, eine
wirtschaftliche Lösung. Ihre Herstellung ist in der DIN 4014 bzw. DIN EN 1536 geregelt. Dieser entsprechend ist die Art der Ausfachung im Falle der aufgelösten Bohrpfahlwand frei wählbar. Eine Möglichkeit
stellt die Verwendung von Dränbeton als Ausfachung dar. Dieser hat zum einen eine statische Tragfähigkeit und ist außerdem wasserdurchlässig. Letztere Eigenschaft bietet den Vorteil, dass durch eine planmäßige Grundwasserentspannung hinter der Verbauwand das Lastniveau maßgeblich gesenkt werden
kann. Auf diese Weise kann der Aufwand für die Herstellung des Verbaus deutlich reduziert und zugleich
können wesentliche Kosten eingespart werden. Zudem wirkt der Dränbeton im Gegensatz zu lediglich
punktuell entwässernden Dränageschläuchen als Flächenfilter.
Dränbeton ist ein Spezialbeton, der bereits seit vielen Jahren für Fertigteile und auch als Ortbeton insbesondere im Straßenbau zur Entwässerung eingesetzt wird. Die Wirkungsweise beruht auf seinem Aufbau.
Im Gegensatz zu Normalbeton nach DIN EN 206-1 in Verbindung mit DIN 1045-2 sind die Haufwerksporen der groben Gesteinskörnung nicht mit Mörtel ausgefüllt, sondern es ist nur eine ausreichende
Menge an Feinmörtel vorhanden, um die Gesteinskörner miteinander zu verkitten. Im Beton verbleiben
Hohlräume, die eine Wasserdurchlässigkeit sicherstellen. Mit steigendem Hohlraumgehalt sinkt die Festigkeit des Betons.
Bild 1:
Freigelegte Bohrpfahlwand mit Dränbetonpfählen als Ausfachung
Die speziellen Anforderungen an den Frischbeton für einen Bohrpfahl stehen im Widerspruch zu den
Eigenschaften eines normalen Dränbetons im Ausgangszustand, weshalb differenzierte Einbauverfahren
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und Rezepturen erforderlich werden. Aufgrund der im Vergleich zu gefügedichtem Beton wesentlich
größeren Oberfläche des Dränbetons, die das gesamte Bauteil durchdringt, kommt dem Widerstand des
frischen Betons gegenüber einem Auswaschen des Zementleims bei Einbau unter Wasser eine weitaus
größere Bedeutung zu als bei klassischem Bohrpfahlbeton.
In der jüngeren Vergangenheit sollte diese unkonventionelle Verbauart im Rahmen eines Schleusenneubauprojektes zum Einsatz kommen, wobei die Ausführung einer der zu errichtenden Baugrubenwände
als überschnitte Bohrpfahlwand mit Dränbetonpfählen vorgesehen war. Im Vorfeld ist eine Probewand
errichtet worden. Dabei kam es beim Betonieren der Dränbetonpfähle unterhalb des Grundwasserspiegels zu einer Entmischung von Zementleim und Kies. Nur oberhalb des Grundwasserspiegels konnten
die Anforderungen an Durchlässigkeit und Festigkeit des Dränbetons sicher erfüllt werden (Bild 1). Daraufhin musste das Baugrubenkonzept mit entsprechenden Mehrkosten in Millionenhöhe umgestellt
werden. Veröffentlichungen aus den 1980er Jahren (beispielsweise Wietek, 1983) zeigen jedoch, dass es
grundsätzlich möglich ist, auch unterhalb des Grundwasserspiegels entsprechende Dränpfähle herzustellen.
1.2 Bedeutung für die WSV
Durch eine Vielzahl an Baumaßnahmen, die die Herstellung tiefer Baugruben neben Bestandsbauwerken
erfordert, wird die WSV oft mit der Frage nach einem hoch belastbaren, verformungsarmen und zugleich
wirtschaftlichen Verbau konfrontiert. Die zumeist eingesetzte Bohrpfahlwand bietet bei wasserdurchlässiger Ausfachung mit Dränbeton unter bestimmten Voraussetzungen die Möglichkeit durch den Abbau des
Wasserdrucks aus Grundwasser hinter der Verbauwand die Einwirkungen auf diese zu minimieren,
wodurch enorme Kosteneinsparungen beim temporären Verbau möglich werden.
1.3 Untersuchungsziel
Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll eine geeignete Vorgehensweise aus geotechnischer, bauverfahrenstechnischer und baustofflicher Sicht erarbeitet werden, um Möglichkeiten und Grenzen einer
zielsicheren Herstellung von Dränbetonbohrpfählen z. B. als dränierende Elemente von Verbauwänden
aufzuzeigen. Dabei soll untersucht werden, welche Faktoren die Funktionstüchtigkeit beeinflussen. Dies
betrifft insbesondere die Dränagefähigkeit und die Festigkeit des Betons, aber auch die Interaktion mit
den tragenden Bohrpfählen der Bohrpfahlwand. Einen Schwerpunkt stellt die Erörterung und Untersuchung der betontechnologischen Möglichkeiten zur Sicherstellung der aus geotechnischen und bauverfahrenstechnischen Randbedingungen resultierenden Anforderungen an das Gesamtsystem, wie z. B.
Einbau ohne und mit Wasserzutritt, dar. Doch auch die Untersuchung alternativer Methoden, wie z. B. der
Einsatz von Fertigteilen oder anderer Materialien, soll in die Betrachtungen einfließen.
2 Untersuchungsmethoden
Vorab wurde in Form eines Sachstandsberichtes der gegenwärtige Entwicklungsstand erörtert und auf
aktuelle Entwicklungstendenzen im Bereich Dränbeton im Allgemeinen eingegangen. Erläutert wurden
außerdem existierende Prüfverfahren, die in anderen Einsatzbereichen (z. B. Unterwasserbeton, Fertigteile, Straßenbau) zur Prüfung von artverwandten Materialen angewendet werden.
Im Rahmen des FuE-Vorhabens ist ein Laborprogramm vorgesehen, mithilfe dessen die Eigenschaften
ausgewählter Materialzusammensetzungen analysiert und für den Anwendungsfall optimiert werden
sollen. Wichtige Eigenschaften sind die Druckfestigkeit, die Durchlässigkeit sowie ggf. die Überprüfung
des Eindringens von Normalbeton in den Dränbeton. Geeignete und praxistaugliche Laboruntersuchungsmethoden, bei denen baupraktische Randbedingungen berücksichtigt werden können, sollen
erarbeitet oder adaptiert werden.
In einem zweiten Schritt erfolgt die Erprobung in situ. Auf einer Baustelle soll eine aufgelöste Probewand
aus Bohrpfählen mit dränierfähiger Ausfachung hergestellt werden. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Einbauverfahren unterhalb des Grundwasserspiegels. Eine Konzeption von geeigneten
Feldversuchen soll die Möglichkeiten aufzeigen, im Nachhinein den Erfolg der Maßnahme und der Betoneigenschaften ggf. anhand zerstörungsfreier Prüfmethoden sowie anhand von Bohrkernen zu kontrollieren.
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3 Ergebnisse
Im Jahr 2015 erfolgte die Beauftragung der Bergischen Universität Wuppertal in Kooperation mit der
Ruhr-Universität Bochum mit der Erarbeitung und Durchführung eines Laborprogramms sowie von Modellversuchen. Ergebnisse hierzu liegen noch nicht vor.
4 Arbeitsprogramm und Zeitplan
2016: Laborversuche mit ausgewählten Materialkompositionen
2017: Herstellung von Dränpfählen
2018: Abschlussbericht
Laufzeit des Vorhabens: 2015 bis 2018.
5 Literatur
Wietek, B. (1983): Dränageverbau. In: tis - Tiefbau, Ingenieurbau, Straßenbau (5), S. 323–327.
DIN EN 1536:2015-10 (2015): Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Bohrpfähle
DIN EN ISO 4014:2011-06 (2011): Sechskantenschrauben mit Schaft – Produktklassen A und B, aktuelle
Ausgabe: 2011-06
DIN EN 206-1:2001-07 (2001): Beton; Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität
DIN 1045-2:2008-08 (2001): Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Sapnnbeteon – Deutsche Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1 Beton
6 Veröffentlichungen
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