Pfahlintegritätsmessungen

1. Durchführung der Prüfung – Theorie

Zweck der Prüfungen ist der Nachweis der Integrität von Gründungspfählen. Mit dem „Low-Strain”-Verfahren kann nicht die Tragfähigkeit nachgewiesen werden, aber Fehlstellen in der Pfahlbeschaffenheit, sowie eine zu geringe Länge oder mangelhafte Betonqualität können erkannt werden.

Beim „Low-Strain”-Verfahren wird durch einen Schlag auf den Pfahlkopf eine Stoßwelle erzeugt, die den Pfahlschaft axial durchläuft und am Pfahlfuß bzw. an einer Störstelle reflektiert wird. Gemessen werden die Geschwindigkeit der Stoßwelle und die Intensität der Reflexionen sowie die zugehörigen Laufzeiten der Stoßwellen am Pfahlkopf (Messort).

Gemessen wird bei der Stoßeinleitung der Zeitverlauf \( v_b (t) \) der auftretenden Beschleunigung, der mittels eines Integrators vor der Aufzeichnung integriert wird. Ausgewertet wird schließlich der Geschwindigkeitsschrieb \( v_v(t) \). Aus den Reflexionen können die Wellenlaufzeiten bestimmt werden, da der am Pfahlkopf aufgebrachte Stoß an allen Störstellen und am Pfahlfuß reflektiert wird.

Impulsmessung

Auf der Abszisse des Messschriebes kann die Pfahllänge bzw. die Tiefenlage einer Diskontinuität aus der Reflexion der Welle für eine angenommene Wellengeschwindigkeit ermittelt werden. Auf der Ordinate sind die Art und der Umfang einer Diskontinuität aus der Signalablenkung erkennbar.

Signalablenkung in gleicher Richtung wie das Eingangssignal bedeutet eine Zugwelle (Impedanzverringerung), in entgegen gesetzter Richtung eine Druckwelle (Impedanzzunahme).

Die Impedanz \(Z\) ist definiert als der Quotient aus dem Produkt des dynamischen Elastizitätsmodul \(E_{dyn}\) mit der Querschnittsfläche \( A \) und der Ausbreitungsgeschwindigkeit \(c_p\) der Stoßwelle im Pfahl; \(\varrho\) ist die Dichte des Materials.

$$ Z_l = \frac{E \, A}{c} = \sqrt{E \, \varrho} \, A \qquad {\mathrm{mit}} \, c = \sqrt{\frac{E}{\varrho}}$$

Wird für \(E_{dyn}\) der Hook´sche E-Modul eingesetzt, wird die Geschwindigkeit der sog. Dehnwelle berechnet, deren Wert geringer ausfällt als der der Kompressionswelle, da das Material in Querrichtung ausweichen kann. Zu beachten ist, dass der dynamische E-Modul erheblich höher ausfallen kann als der statische. Dies wird bei der Bewertung der Wellengeschwindigkeit berücksichtigt. Da der Elastizitätsmodul und die Dichte nur geringen Schwankungen unterliegen, werden die Impedanzänderungen in der Regel den linear eingehenden Querschnittsänderungen gleichgesetzt. Änderungen der Bodenschichtung können ebenfalls geringe Reflexionen verursachen. Die Aussagen sollen anhand von Betondaten, Pfahlherstellungsunterlagen (Bohrprotokolle) und Baugrundaufschlüssen überprüft werden.

Im oben dargestellten Beispielbild beträgt die Laufzeit 3,854 ms, so dass sich für die Plan-Länge von 7 m eine Wellengeschwindigkeit von 3,632 m/ms ergibt. Der Pfahl zeigt nur minimale Störungen im Signalverlauf.

2. Messungen

Alle Einzelsignale mit den Schwinggeschwindigkeiten vv werden zur Kompensation der Abstrahldämpfung und der Materialdämpfung des Pfahls exponentiell zum Signal vvv verstärkt, um die Antwort des Pfahls zu erhalten.

Aufgrund der Signalbeeinflussung durch Resonanzen der Anschlussbewehrung oder von planmäßigen Querschnittsänderungen werden für jeden Pfahl 3-5 Signale gemittelt (Stapelung). Bei auffälligen Störungen im Signalbild werden auch die Einzelsignale ausgewertet.

3. Ergebnisklassen

Bei der Beurteilung nach den Empfehlungen des AK „Pfähle” der DGGT (EA Pfähle, 2007, Ernst und Sohn) ist zwischen 5 Ergebnisklassen zu unterscheiden:
A1: Der Pfahl ist in Ordnung.
Fußsignal eindeutig erkennbar (außer bei Einbindung in Fels), keine Impedanzrückgänge, nur Druckwellen-reflexionen oder alle Änderungen im Toleranzbereich, cBeton im üblichen Rahmen.
A2: Keine Einschränkung der Gebrauchstauglichkeit erkennbar
Wie A1, aber Verdickungen außerhalb des Toleranzbereiches erkennbar, starke Abweichung von der Nulllinie erlaubt.
A3: Der Pfahl weist eine geringe Qualitätsminderung auf
Eindeutige Impedanzminderung bis zu ¼ des Querschnitts, Fußsignal eindeutig erkennbar (außer bei Einbindung in Fels), cBeton mit Abweichungen von über 5% bis maximal 10% zum Mittelwert.
B Der Pfahl ist nicht in Ordnung
Eindeutige Impedanzminderung über ¼ des Querschnitts, typische Minderung um etwa 1/3 des Querschnitts, cBeton mit Abweichungen von über 10%.
0 Das Signal ist nicht auswertbar

Zur Pfahllängenermittlung wird die Stoßwellengeschwindigkeit im Beton aus Plan-Länge LPlan und Wellenlaufzeit Tgemessen errechnet.
stosswellen_schwinggeschwindigkeit

Die auf den Baustellen gemessenen Wellengeschwindigkeiten liegen z.T. deutlich über den berechneten Erwartungswerten. Werden hingegen Wellengeschwindigkeiten mit Abweichungen von maximal -10% bis +20% gemessen (3375 und 4500 m/s), so gilt die Pfahllänge als erreicht. Unsere Mittelwerte betragen für C25/30 3,92 m/ms und für C30/37 4,13 m/ms, liegen also deutlich über den Erwartungswerten. Bei Abweichungen der Wellengeschwindigkeit von mehr als 10% vom Mittelwert der Baustelle wird der Pfahl nicht abgenommen und ist in Klasse B einzustufen.

Bei weniger als 3375 m/s gilt generell: Schlechte Betonqualität (geringe Festigkeit oder zu junger Beton) oder Pfahl ist länger als geplant. Bei mehr als 4500 m/s gilt generell: Pfahl ist kürzer als geplant.

Bei beiden Bewertungen ist vor der Bewertung Rücksprache und detaillierte Einsicht in die Bohrprotokolle erforderlich.

Für zulässige Abweichungen des Signals haben wir eine Toleranzbreite festgelegt, die geringe theoretische Querschnittsabnahmen zulassen, wie sie häufig nicht zu vermeiden sind. Eine Zu- oder Abnahme der Radien im 1 bis 2-cm Bereich kann auch durch Veränderungen der natürlichen Verzahnung im Boden verursacht werden.

4. Messtechnik und Ausrüstung

Notebook mit PCMCIA-Messkarte Quatech/BMC DAQP 16, 16 bit, 100 kHz, LV Brüel & Kjaer 2635 mit 2 Integrationsstufen, Beschleunigungsaufnehmer Brüel & Kjaer 4370/4383, Software NextviewNT/Dasylab, verschieden schwere instrumentierte Hämmer., Bruel & Kjaer type 8202. Alle Aufnahmen wurden mit 45.455 Samples/s und 2 Messkanälen durchgeführt. Alle Mittelungen mit Verstärkung werden in den Berichten grafisch dargestellt.

1 2 3 4 5 6 7 8
[m] [m³] [m/ms] [%] [m]
A 7,65 +0,38 3,73 -0,4 7,68 xc.xz A1
B 7,65 +0,38 3,66 -2,4 7,83 xc.xz A1
C 8,65 +0,52 3,81 1,7 8,51 xc.xz A1
D 8,65 +0,52 3,84 2,5 8,43 xc.xz A2
E 8,65 +0,52 3,93 4,7 8,24 xc.xz A2
F 8,65 +0,52 3,93 4,7 8,24 xc.xz A2
G 9,30 +0,15 4,07 7,9 8,56 xc.xz A3*
H 9,30 +0,15 3.81 1,7 9,14 xc.xz A2
I 10,25 +0,68 3.75 0 10,25 xc.xz A1
J 10,25 +0,38 3.60 -4.2 10,68 xc.xz A1
K 10,25 +0,38 3.64 -2.9 10,55 xc.xz A2
L 10,25 +0,00 3,47 -8,0 11,07 xc.xz A3*
M 10,25 +0,38 3,47 -8,0 11,07 xc.xz A3*

Typische Ergebnisse der Integritäts-Prüfungen

Tabelle 5.1 stellt für die einzelnen Pfähle die Ergebnisse dar.
Die Laufzeit-Diagramme sind ebenfalls im Bericht dargestellt.

In Spalte 5 der Tabelle 1 werden die Differenzen der gemessenen Wellengeschwindigkeiten zum Mittelwert angegeben. Bei über 5% und maximal 10% muss in Klasse A3 eingestuft werden, bei mehr als 10% in Klasse B. In Spalte 6 werden die fiktiven Pfahllängen unter Ansatz der mittleren Wellengeschwindigkeit berechnet. Es handelt sich hierbei nur um einen statistischen Längen-Vergleichswert, da die Wellengeschwindigkeiten in den Pfählen tatsächlich und sogar lokal differieren. Man kann erkennen, dass der Pfahl G mit vergleichsweise hoher Wellengeschwindigkeit eher zu kurz ist, die Pfähle L und M mit zu geringen Wellengeschwindigkeiten wären eher länger als geplant, die Ursache kann aber auch schlechter Beton sein. Alle drei Pfähle werden wegen zu großer Abweichungen vom Mittelwert in Klasse A3 eingestuft.

6. Durchführung der Prüfung an Stahlspundwänden

Das Verfahren lässt sich auch für die Längenbestimmung anderer Bauteile nutzen. Bei der Anwendung zur Längenbestimmung von Spundbohlen treten folgende Probleme auf:

* Der Anregungsimpuls sollte von nicht zu hohem Frequenzinhalt und von geringer Amplitude sein, da mit sehr kurzen Impulsdauern hohe Frequenzen der Struktur angeregt werden, was bei Stahlprofilen zu einem Klirren führt. Grundsätzlich sind aber kurze Impulse immer zu bevorzugen, da das Auflösungsvermögen steigt. Hier muss also „eher noch als bei Betonpfählen ” ein Kompromiss gefunden werden. Gute Ergebnisse aufgrund erhöhter Steifigkeit an der Impulseinleitungsstelle liefern am Kopf mit einer Stahlplatte verschweißte Spundbohlen.

*Spundbohlen haben eine große Fläche, so dass ein großer Anteil der Energie an den Baugrund abgestrahlt wird. Die Fußreflexionen sind daher oft sehr geschwächt.

  • Durch die Querverbindung zu anderen Bohlen über die Spundwandschlösser wird nicht nur eine Bohle, sondern es werden mehrere Bohlen der Spundwand angeregt; die Prüfung von Einzelbohlen aus dem Verbund ist gesichert nicht möglich. Die Wellen propagieren nicht nur axial in die Tiefe, sondern auch seitlich, was zu hoher geometrischer Dämpfung führt. Man spricht dann auch von „lateralen Reflexionen”. Das gleiche Problem hat man bei der Prüfung von Bohrpfahlwänden, bei der aufgrund multipler und lateraler Reflexionen selten exakte Ergebnisse erzielt werden. Bei der Überlagerung von mehreren Reflexionen ist das Signal nicht mehr exakt auswertbar.
  • Aufgrund dieser lateralen Reflexionen und der Reflexionen an Schlössern und Verankerungen ist ein eindeutiges Fußsignal nicht auszuwerten. Ergebnisse aus weiteren Messungen oder anderweitiges Vorwissen werden zur Bewertung benötigt.
  • Für die Wellengeschwindigkeit im Stahl ist eine relativ große Streubreite möglich. Die Wellengeschwindigkeit geht daher mit diesem Streubereich als Unbekannte in die Ermittlung ein. Beim Ansatz von niedrigen Wellengeschwindigkeiten liegt die Berechnung auf der sicheren Seite.
  • An Spundwänden in Uferbereichen wechseln im Bereich der Spundwände häufig Bodenschichten mit und Beton- und Restverfüllungen, was bei den Messungen weitere Probleme ergibt.

Eine exakte Auswertung wie bei Bohrpfählen ist für Spundbohlen also nicht möglich, so dass ein gewisses Vorwissen – z.B. über die geschätzte Länge der Bohlen – erforderlich ist. Kann eine Vorschätzung nicht geleistet werden, sind begleitende Maßnahmen oder zusätzliche Messungen erforderlich, wie z.B. die Anwendung des Verfahrens der Parallelen-Seismik oder das Vorhandensein von Unterlagen.