Tiefgründungen

Die Bundesrepublik Deutschland verfügt im Verhältnis zur Bevölkerungszahl nur über eine

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sehr kleine Fläche. Dies bedeutet, dass guter Baugrund nicht unbegrenzt zur Verfügung steht. Zunehmend werden Industrie-, Ver- kehrs-, aber auch Wohnungsbauten dort ge- plant, wo tragfähiger Boden erst in großer Tiefe bzw. wirtschaftlich unerreichbar ansteht, so dass die Möglichkeiten der Flachgründun- gen entfallen. Wenn außerdem Bodenverbesse- rungs- oder Bodenaustauschmaßnahmen keine Lösung bieten, bleiben oft nur noch Tiefgrün- dungen übrig.

Unter Tiefgründungen versteht man alle Pfahl- gründungen sowie tief liegende Flächen- gründungen, bei denen die Verbindung zwi- schen Gebäude und Fundament durch Pfeiler, Brunnen oder Senkkästen hergestellt wird.

Pfahlgründungensind die älteste Art der Tief- gründung. Sie wurden schon im Altertum ge- wählt, wenn Menschen ihre Hütten aus Sicher- heitsgründen im unwegsamen Gelände oder im Wasser errichteten (4.31). Während früher aus- schließlich Holzpfähle verwendet wurden, über- wiegen heute Beton-, Stahlbeton-, Spannbeton- und Stahlpfähle (im Straßenbau auch Kiespfäh- le). Holz kommt nur noch in Betracht, wenn die Pfähle ständig im Wasser stehen und somit gegen Fäulnis geschützt sind, oder wenn es sich um vorübergehende Bauten handelt, bei denen die Lebensdauer eine untergeordnete Rolle spielt. Die Pfahllasten können auf zwei unter- schiedliche Arten, dem Spitzendruck und/oder der Mantelreibung, abgetragen werden.

Während der Spitzendruck nur am in dem tiefer gelegenen tragenden Boden befindlichen Pfahlfuß wirkt, kann die Mantelreibung zwi- schen dem Boden und dem Pfahlschaft auf der vollen Länge des Pfahls auftreten.

Um den Anteil der Spitzendruckkraft an der Lastabtragung des Pfahls zu erhöhen, werden oftmals Fußverbreiterungen vorgenommen. Der Anteil der Mantelreibungskraft an der abzutra- genen Pfahllast hängt von der Oberflächenbe- schaffenheit des Pfahls, der Größe der Pfahl- oberfläche und natürlich der Art des vorhande- nen Bodens ab. Der jeweilige Anteil der Spit- zendruckkraft und der Mantelreibungskraft an der gesamten Lastabtragung des Pfahls kann sehr unterschiedlich sein. Er hängt von den Verhältnissen vor Ort ab. Nach der Art des Einbringens unterscheidet man Ramm, Bohr- und Einpresspfähle. In Abhängigkeit von der Tiefenlage des tragfähigen Bodens gibt es ste- hende und schwebende Pfahlgründungen.

Stehende Pfahlgründungenliegen vor, wenn die Pfähle die tragfähigen Bodenschichten noch erreichen. Man kann die Pfähle auf den tragfähigen Boden setzen oder sie in den trag- fähigen Boden einbinden lassen (4.32). In beiden Fällen werden die Pfahllasten durch Spitzendruckkräfte und Mantelreibungskräfte aufgenommen.

Schwebende Pfahlgründungwendet man an, wenn tragfähige Bodenschichten in wirtschaft- lich erreichbarer Tiefe nicht anzutreffen sind.

Bild 4.31: Pfahlbauten in Unteruhldingen am Bodensee

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Dadurch können Spitzendruckkräfte nicht wirksam werden, die Kraftaufnahme muss allein durch die Mantelreibung aufgenommen werden (4.33). Da die Größe der Reibungskraft von der Oberflächenbeschaffenheit des Pfahls abhängt, sind für schwebende Pfahlgründun- gen möglichst raue Pfähle zu wählen, am bes- ten Bohrpfähle aus Beton oder Stahlbeton.

Rammpfähle eignen sich zwar vorzüglich für schwebende Pfahlgründungen, da bei der Rammung der Pfähle das Erdreich verdrängt und die Mantelreibung dadurch vergrößert wird. Jedoch ist eine Rammung innerhalb von Ortschaften aufgrund der zu erwartenden Er- schütterungen und der Lärmbelästigung kaum möglich.

Bild 4.32:Stehende Pfahlgründung

a) Bohrpfahl aufgesetzt, b) Rammpfahl eingebunden

Bild 4.33:Schwebende Pfahlgründung Zur Vervollständigung der Pfahlgründung wer-

den wahlweise Einzel-, Platten- oder Streifen- fundamente auf die Pfahlköpfe gesetzt. Pfähle und Fundament bilden zusammen einen Pfahl- rost (4.34). Wenn auch Horizontallasten von der Gründung aufzunehmen sind, empfiehlt sich die

Anordnung von Schrägpfählen (4.35a) ebenso wie bei Bauwerken, die allein zum Abfangen von Horizontallasten erstellt werden (z.B.

Stützmauern. Eine weitere Möglichkeit der Horizontalkraftaufnahme besteht in der Bemes- sung der Pfähle auf Biegung.

Bild 4.34: Pfahlrost Bild 4.35: Aufnahme von Hori- zontalkräften durch Schrägpfähle a) Einzelfundament, b) Winkel- stützmauer

Bild 3.36: Anordnung der Pfähle (Beispiele)

a) bei Streifenfundamenten, b) bei Einzelfundamenten 4

Die Pfähle können gradlinig bei schmalen oder versetzt bei breiteren Streifenfundamenten angeordnet werden. Pfähle unter Einzelfunda- menten oder Fundamentplatten sind so anzu- ordnen, dass sie möglichst gleichmäßig be- lastet werden, d.h. symmetrisch zum Angriffs- punkt der Belastung (4.36). Der Pfahlrost lässt sich hierbei mit dem System der Pilzdecke vergleichen (s. Abschn. 7.5).

Bei den Pfahlgründungen unterscheidet man stehende und schwebende Pfähle.

Pfähle ergeben im Zusammenhang mit Platten-, Balken- oder Einzelfundamenten einen Pfahlrost. Die Pfahlkräfte werden durch Spitzendruck und/oder Mantelrei- bung vom Boden aufgenommen.

Bild 4.37: Pfeilergründung in offener Baugrube

Pfeilergründungen erlauben bei nicht zu großer Mächtigkeit der nichttragenden Boden- schicht die verschiedenen Flächengründungen.

Die Pfeilergründung ist allerdings nur an- wendbar, wenn überwiegend vertikale Belas- tungen aus dem Gebäude abzutragen sind. Die Pfeiler bestehen meist aus Beton oder Stahlbe- ton, manchmal aus Stahl, vereinzelt auch aus

Mauerwerk. Am Pfeilerfuß sind nach Mög- lichkeit Verbreiterungen vorzusehen, um eine größere Lastverteilung auf den Baugrund zu erzielen. Die Herstellung der Pfeiler ist von der Baugrubensicherung abhängig. Am einfachs- ten, aber auch mit am teuersten ist die Errich- tung innerhalb einer abgeböschten Baugrube. Das bedeutet viel Bodenaushub und

Bild 4.38: Brunnenabsenkung Bild 4.39: Brunnengründung

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Bild 4.40: Druckluftgründung (Prinzip)

Wasserhaltung während der Bauzeit mit an- schließendem Verfüllen der Baugrube (4.37).

Häufig werden die Pfeilerreihen daher in ka- nalbauartiger Weise errichtet. Die Wände der Schächte können bei standfestem Boden unge- sichert bleiben, wenn Menschen den Graben nicht betreten müssen. Sie können aber auch durch verschiedene Verbauarten oder standfest gemachte Seitenwände (z.B. Injektion von Zementschlämme oder Aufbringen von Spritz- beton) ausreichend gesichert werden.

Brunnengründungen kommen häufig bei offenen Schächten, Kläranlagen und Brücken- pfeilern vor. Dabei werden offene Brunnenrin- ge (Fertigteile) durch Bodenentnahme im In- nern des Ringes gleichmäßig abgesenkt. Um die entgegenwirkende Reibung zu verringern, presst man während des Abteufens thixotrope Flüssigkeit zwischen die Außenwand des Brunnenrings und das umgebende Erdreich (4.38). Die Form der Brunnen ist häufig rund, doch gibt es auch rechteckige Querschnitte.

Wichtig ist, dass die Querschnitte nicht un- symmetrisch sind, denn diese Teile sind nicht gleichmäßig genug abzusenken. Nach Errei- chen der vorgesehenen Gründungstiefe wird eine Gründungsplatte geschüttet, die die Las- ten ausreichend verteilt (4.39).

Die Bodenspannungen sind in einfachen Fällen wie bei normalen Flachgründungen zu ermit- teln. In schwierigen Fällen sind Setzungs- und Grundbruchsicherheit nachzuweisen. Brunnen können bei Bedarf zur Erhöhung der Eigenlast und somit zur Vergrößerung des Standmo-

ments mit Sand, Kies oder Beton verfüllt wer- den.

Druckluftgründungensind bei Arbeiten unter Wasser erforderlich. Dies kann im Grundwas- serbereich wie auch im offenen Wasser der Fall sein. Die Senkkästen (Caissons) müssen zu diesem Zweck einen Arbeitsraum erhalten, der das Eindringen des umgebenden Wassers infolge des auftretenden Wasserdrucks durch einen mindestens gleich großen Luftdruck als Gegendruck verhindert (4.50). Dieses Verfah- ren bedeutet für die Arbeitskräfte ein erhöhtes Risiko mit allen damit verbundenen Schutz- vorkehrungen, die von der Baufirma zu treffen sind. Die Arbeit unter Druckluft kann mit der Arbeit von Tauchern gleich gesetzt werden:

größere Tiefen als 30 m unter OK Wasserspie- gel sind nicht erreichbar; geeignet für diese Arbeiten sind nur gesunde Menschen, die ein ärztliches Attest für ihre Tauglichkeit vorwei- sen können. Das Ein- und Ausschleusen ge- schieht nach genau festgelegtem Zeitplan. Mit steigendem Druck steigt auch die Ein- und Ausschleusungszeit.

Abgesenkt werden die Caissons wie offene Senkkästen (Brunnen) durch Materialentnah- me am Fuß des Bauteils entweder nass durch Spülung oder trocken durch Ausbaggerung von Hand oder Maschine. Bei großen Senk- kästen werden wegen der unterschiedlichen Ein- und Ausschleusungszeiten für Menschen und Material auch getrennte Schleusen ver- wendet. Der Arbeitsvorgang muss langsam und gleichmäßig unter messtechnischer Über-

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wachung vor sich gehen. Durch thixotrope Flüssigkeit wird auch hier die Mantelreibung verringert. Nach Beendigung der Absenkung wird der Arbeitsraum so ausbetoniert, dass er Verbindung mit dem Senkkasten bekommt und so ein großes Gegengewicht zum Auftrieb bildet. Druckluftgründungen sind wegen der schwierigen Arbeiten und hohen Sicherheits- anforderungen sehr kostspielig. Sie werden deshalb nur verwendet, wenn die Senkkästen gleichzeitig als Bauwerk oder Bauteil dienen (z.B. im U-Bahn-, Tunnel- oder Brückenbau).

Pfeiler-, Brunnen- und Druckluftgründun- gen bieten die Möglichkeit, flächengrün- dungen ohne Wasserhaltung bis in große Tiefen hinabzubringen. Wegen der hohen Kosten ist ihr Anwendungsgebiet über- wiegend auf große Ingenieur- und Was- serbauwerke beschränkt.