Die Gründung bildet die untere Struktur, die Lasten von Gebäuden auf den Untergrund überträgt und als kritisches Bindeglied zwischen Überbauten und Untergrund dient. Sie trägt innere Kräfte, die aus der Wechselwirkung von Überbaulasten und Bettungsreaktionskräften entstehen. Umgekehrt wirken die Reaktionskräfte an der Basis der Gründung als Lasten auf den Untergrund und induzieren Spannungen und Verformungen. Der Untergrund bezieht sich auf den begrenzten Bereich, der die Gebäude­gründung trägt. Wenn die Tragfähigkeit des Untergrunds die vom Überbau übertragenen Lasten nicht bewältigen kann, werden Gründungs­verbesserungen oder Pfahlgründungen notwendig, um die Last­trag­anforderungen zu erfüllen. Die Wirksamkeit der Untergrund­verbesserung wirkt sich direkt auf die Qualität, die Kosten und den Zeitplan des Projekts aus. Gängige Methoden zur Untergrund­verbesserung umfassen Ersatz­bettungen, Vorspannung, verdichteten Untergrund, Verbund­untergrund und Injektions­verstärkungen. Diese Diskussion konzentriert sich auf CFA-Pfahl-Verbund­untergrund, eine verbreitete Technik bei Verbund­untergrund­anwendungen.

CFA-Pfahl Verbund­gründungen werden im Bauwesen und bei Gründungs­verbesserungs­projekten aufgrund ihrer einfachen Bauweise, Kosteneffizienz und starken Anpassungsfähigkeit weit verbreitet eingesetzt, insbesondere bei mehrstöckigen Wohngebäuden, öffentlichen Gebäuden und Industrieanlagen. Während der Entwurfsphase sind in der Regel umfassende Anpassungen und Optimierungen für Schlüsselparameter wie Pfahllänge, -durchmesser und -abstand erforderlich, um mehrere Anforderungen zu erfüllen, darunter die Tragfähigkeit der Gründung, die Verformungskontrolle und die Kosteneffizienz. Während Maßnahmen wie die Erhöhung der Pfahllänge, die Vergrößerung des Pfahldurchmessers oder die Verringerung des Abstands die Tragfähigkeit wirksam verbessern können, zeigt die praktische Ingenieur­erfahrung, dass unterschiedliche Parameter­anpassungs­strategien oft signifikant unterschiedliche Auswirkungen auf Projektkosten, Bauzeiten und Machbarkeit haben. Daher sind detaillierte Analysen und Urteile auf der Grundlage der tatsächlichen Bedingungen unerlässlich.

Ⅰ. Pfahllänge

Die primäre Überlegung bei der Bestimmung der Pfahllänge ist die Tragfähigkeit. Typischerweise sollte die Pfahllänge durch Integration von Entwurfs­anforderungen, Tragfähigkeit und der natürlichen Tragfähigkeit der darunter liegenden Schicht bestimmt werden. Unter Verwendung eines Pfahldurchmessers von 400 mm und eines Abstands von 3-5 Mal dem Pfahldurchmesser, kombiniert mit geotechnischen Säulendiagrammen, kann eine relativ günstige tragende Schicht identifiziert werden. Sobald die tragende Schicht am Pfahlende bestätigt ist, ist die Pfahllänge im Wesentlichen endgültig festgelegt.

·  Die Pfahllänge sollte auch durch Setzungskontrolle bestimmt werden, insbesondere für Schichten mit harter oberer und weicher unterer Schicht oder dicker weicher Zwischenschicht. Da die tragende Schicht von guter Qualität ist, ist der Beitrag des Bodens zwischen den Pfählen groß und die kürzere Pfahllänge kann die Tragfähigkeits­anforderung erfüllen. Da die Bodenqualität der darunter liegenden Schicht jedoch schlecht ist, sollte die Pfahllänge nicht nur nach der Tragfähigkeit bestimmt werden, sondern die weiche Bodenschicht in die bessere Bodenschicht durchdringen oder die Pfahllänge sollte die Kontroll­anforderung erfüllen.

·  Bei der Bestimmung der Pfahllänge müssen die maximale Bohrtiefe der Baumaschinen und die Betriebs­bedingungen berücksichtigt werden. Derzeit können im Inland hergestellte Langspiralbohrer eine maximale Bohrtiefe von 40 m erreichen, die meisten auf dem Markt sind jedoch Modelle mit Tiefen unter 30 m. Für Langspiralbohrer mit einer Bohrtiefe von über 30 m ist eine Marktforschung unerlässlich. Im Allgemeinen führen größere Geräte zu höheren Baukosten pro Quadratmeter.

Ⅱ. Pfahldurchmesser

Die Auswahl des Pfahldurchmessers sollte Bautechniken, Abstand, Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis und Material­ausnutzungs­effizienz berücksichtigen. Im Allgemeinen sind 400 mm und 500 mm Pfahldurchmesser am wirtschaftlichsten. Wenn das Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis übermäßig hoch bleibt oder der Abstand bei 400 mm Pfahldurchmessern zu dicht ist, sollte eine Erhöhung des Durchmessers in Betracht gezogen werden.

III. Pfahlabstand

Der Abstand zwischen den Pfählen sollte unter Berücksichtigung von Pfahllänge, -durchmesser, Tragfähigkeits­anforderungen und Pfahl­layout­methoden bestimmt werden. Innerhalb des empfohlenen Bereichs von 3 bis 5 Mal dem Pfahldurchmesser ist ein größerer Abstand vorzuziehen. Die Erhöhung des Pfahllängen­verhältnisses zur Verringerung des Abstands ist für die Setzungs­kontrolle vorteilhafter.

Aus bautechnischer Sicht reduziert die Erhöhung der Pfahllänge die erforderliche Anzahl von Pfählen, wodurch die Häufigkeit der Neupositionierung von Geräten verringert und die Gesamteffizienz gesteigert wird. Der größere Abstand zwischen den Pfählen minimiert auch die Bodenverdrängungs­effekte und die Wahrscheinlichkeit von Lochwanderung. Wenn verlängerte Pfahllängen es den Pfahlenden ermöglichen, überlegene Bodenschichten zu erreichen—wo höhere Tragfähigkeit und Kompressions­modul vorhanden sind und wo CFA-Pfahl ihre Endwiderstand besser ausüben kann—ergibt dieser Ansatz signifikant größere technische und wirtschaftliche Vorteile im Vergleich zur Verringerung des Pfahlabstands. In solchen Fällen sollte die maximal zulässige Pfahllänge innerhalb der Bohrtiefe des Geräts genutzt werden, während der Abstand zwischen den Pfählen proportional erhöht wird.

IV. Fallanalyse

Dieses Geschäftsgebäude verfügt über sechs oberirdische und eine unterirdische Etage, die in Rahmenbauweise errichtet wurden. Der Entwurf sieht unabhängige Gründungen unter den Rahmen­stützen vor, ergänzt durch CFA-Pfahl-Verbund­gründungen zur lokalen Behandlung. Die gesamte vertikale Standardlast beträgt 6000 kN. Die tragende Schicht der Gründung besteht aus mitteldichtem Feinsand mit einer natürlichen Tragfähigkeit von 160 kPa. Die Pfahlend­trag­schicht, eine 13 Meter dicke Grobsandschicht, weist eine hohe Tragfähigkeit und einen hohen Kompressions­modul auf, was sie zu einer idealen Wahl für die Pfahlend­unterstützung macht.

Der CFA-Pfahl­durchmesser ist auf 400 mm festgelegt. Angesichts der günstigen und relativ dicken tragenden Schicht am Pfahlende, die eine größere Flexibilität bei der Pfahllänge ermöglicht, wurde ein Entwurfs­ansatz gewählt, der einen festen Abstand mit Rückwärts­berechnung der Pfahllänge kombiniert. Es wurden zwei Abstandsschemata implementiert: 4d und 3d Abstand, mit umfassenden technisch-wirtschaftlichen Vergleichen neben der unabhängigen Fundament­analyse. Nach dem Prinzip der gleichmäßigen Pfahl­ersatz­rate unter der Gründung wurde der Pfahl­rand­abstand einheitlich auf die Hälfte des Pfahlabstands festgelegt. Folglich sind die Fundament­abmessungen für das 4d-Schema 4,8 m×4,8 m, während die für das 3d-Schema 3,6 m×3,6 m betragen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Option 1 (linke Abbildung): 4d Pfahlabstand, 13,5 m Pfahllänge

Option 2 (rechts): 3D Pfahlabstand mit 16,0 m Pfahllänge

Die berechneten charakteristischen Tragfähigkeits­werte basierend auf der resultierenden vertikalen Kraft und den Fundament­plan­abmessungen sollten nicht weniger als 265 kPa bzw. 460 kPa betragen. Basierend auf den erforderlichen charakteristischen Tragfähigkeits­werten und dem Pfahlabstand sollten die charakteristischen Tragfähigkeits­werte einzelner Pfähle nicht weniger als 685 kN bzw. 835 kN betragen. Alle Beton­festigkeits­klassen müssen die Anforderungen von C30 erfüllen. Die aus den charakteristischen Tragfähigkeits­werten einzelner Pfähle abgeleiteten Pfahllängen betragen 13,5 m bzw. 16,0 m. Beide Pfahllängen durchdringen die Grobsandschicht mit Eindringtiefen von 1,65 m bzw. 4,15 m.

Beide Schemata können die Anforderung der Tragfähigkeit erfüllen, aber es gibt einen großen Unterschied in der umfassenden technischen und wirtschaftlichen Wirkung.

Aus technischer Sicht durchdringt der 16-Meter-Pfahl die Grobsandschicht über eine größere Distanz und gewährleistet eine höhere Tragfähigkeit. In Bezug auf die Fundament­verformungs­kontrolle sind längere Pfähle kürzeren überlegen. Wirtschaftlich gesehen steigt zwar der gesamte Beton­verbrauch für 16-Meter-Pfahl, der Beton­verbrauch für unabhängige Gründungen wird jedoch erheblich reduziert. Der kombinierte Beton­verbrauch für Pfähle und Gründungen kann um 11,3 m³³reduziert werden, was einer Reduzierung von 23,7 % entspricht. Darüber hinaus wird aufgrund der kleineren Fundament­abmessungen und kürzeren Hebelarme die Bewehrung trotz erhöhten Bodendrucks erheblich reduziert. Bei gleicher Fundament­höhe kann die Anzahl der Stahlstäbe von 32 Stäben von 22 mm (825 kg) auf 21 Stäbe von 22 mm (406,1 kg) reduziert werden, was einer Reduzierung von über 50 % entspricht.

Daher hat unter der Bedingung einer konstanten Stützen­bodenlast das Schema der Erhöhung der Pfahllänge und Verringerung der Fundament­plan­größe einen offensichtlichen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber dem der Verringerung der Pfahllänge und Erhöhung der Fundament­plan­größe.

V. Zusammenfassung

Die Pfahlplatzierung für CFA-Pfahl Verbund­gründungen ist in der Regel auf den Projektions­bereich der Gründung beschränkt. Die Auswahl von Pfahllänge, -durchmesser und -abstand beeinflusst nicht nur die gesamte Tragfähigkeit und die Verformungs­eigenschaften der Gründung direkt, sondern wirkt sich auch erheblich auf Projektkosten, Bauzeit und organisatorische Effizienz aus. Daher sollte vor der endgültigen Festlegung des Pfahl­layout­plans und des Gründungstyps eine umfassende multi­parameter­ und multi­szenario­ technisch-wirtschaftliche Analyse durchgeführt werden. Diese Analyse muss die spezifischen geologischen Bedingungen, die strukturellen Anforderungen und die Bau­ressourcen des Projekts berücksichtigen, um letztendlich die optimale Lösung auszuwählen, die die besten wirtschaftlichen Vorteile, technische Rationalität und Eignung für die Umsetzungs­bedingungen des Projekts bietet.