Untersuchung der Pfropfenbildung an offenen Verdrängungspfählen

Bei offenen Verdrängungspfählen tritt während des Rammvorganges Boden in das Profil ein. Dabei wird an den inneren Pfahlmantelflächen ein innerer Pfahlmantelwiderstand mobilisiert, der zu einer Verspannung des in das Profil eingedrungenen Bodens führen kann. Dieser verspannte Boden wird als Pfropfen bezeichnet, welcher in Abhängigkeit unterschiedlicher Randbedingungen in der Lage ist, einen möglichen zusätzlichen Pfahlspitzendruck abzuleiten. Der bisherige Kenntnisstand ging von einer monolithischen Betrachtungsweise des Pfropfens aus und das Pfahltragverhalten wurde mit einem geschlossenen Profil gleichgesetzt. Dabei liegen zum bodenmechanischen Verständnis und zum Einfluss unterschiedlicher Randbedingungen nur sehr wenige Erkenntnisse vor.
Der experimentelle Teil des Beitrages beschreibt großmaßstäbliche Modellversuche und PIV (Particle Image Velocimetry)-Versuche, bei denen die einzelnen Widerstandsanteile (innerer Pfahlmantelwiderstand Ris, äußerer Pfahlmantelwiderstand Rs und Widerstand in der Profilaufstandsfläche Ra) messtechnisch erfasst werden konnten. Durch Variation der Randbedingungen konnten die eine Pfropfenbildung maßgeblich beeinflussenden Faktoren (Pfahldurchmesser, Lagerungsdichte, Bodenart) herausgearbeitet werden.
Mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode wurde ein numerisches Modell erstellt und an Ergebnissen von Modell- und Feldversuchen validiert.
Abschließend wird ein Modell zum Lastabtrag des Pfropfens vorgestellt, welches belegt, dass ein festverspannter (monolithischer) Pfropfen i. d. R. nicht eintritt, sondern dass der Lastabtrag über eine innere Pfahlmantelreibung in Abhängigkeit des Pfahldurchmessers und der Lagerungsdichte stattfindet.
Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurde ein analytisches Berechnungsverfahren abgeleitet, mit dem die jeweiligen Widerstandsanteile rechnerisch erfasst werden können. Darauf aufbauend wurden im statistischen Teil neue Erfahrungswerte für die Tragfähigkeit von offenen Verdrängungspfählen abgeleitet, die die Empfehlungen der EA-Pfähle (2012) ergänzen.

Investigation of the Plugging Effect of open ended piles
The plugging effect of open-ended piles and hence the change in the load bearing behavior has been investigated in this research work. The state of knowledge assumed that the plug can close up the pile base completely and for this reason it was treated monolithically. The load bearing behavior was comparable to a closed-ended pile. But the soil-mechanical processes were mostly unknown.
The experimental part contains model tests and PIV-(Particle Image Velocimetry) tests. The test piles were arranged with equipment for measuring each part of the pile resistance (inner and outer shaft resistance and resistance of the pile toe). Because of variation the boundary conditions the main influence factors of the plugging effect could be analysed.
Furthermore numerical calculations with the FEM were carried out, which show a good agreement between the experimental data and the calculations. The investigations show, that the load transfer in the plug occurs in an inner shaft friction. A fully plugged soil could not be identified and so the classical model representation could be disproved.
Based on this results an analytical calculation method is derived, in which each proportion of the pile resistance could be determined. Finally in the statistical part new values of experience for the pile resistance are suggested for the EA-Pfähle.