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H. Brandl, R. Hofmann:
"Tragfähigkeits- und Setzungsverhalten von Kastenfundierungen für Brücken";
Report for Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie; Straßenforschung; 2002.

In this work the bearing – deformation – behaviour of ²box – shaped deep foundations² for vertical loads was investigated. ²Box – foundations² act as a compound body consisting of the raft, piles or diaphragm walls and the enclosed soil.
This type of foundations was rather poorly investigated until now. The commonly used theories are based on the elastic isotropic half-space. The subsoil is considered a homogeneous, elastic – isotropic mass. The soil mechanics theory uses Mindlin`s solution for a single force at a point within the half space. Therefore it was not possible to describe exactly the load transfer with this simplified idealisation.

The importance of box - shaped foundation of piles or diaphragm walls has been increasing by used during the last years. The reason is the bearing – deformation – behaviour which is significantly better than for conventional pile groups.
The result of the presented work can be used for bridges, towers or other buildings with heavy concentrated loads.
All new Austrian bridges crossing the river Danube were constructed with deep box – foundations. A box – shaped foundation was also used were the rehabilitation of a severely scoured river pier in Kufstein (Tirol – Austria). An aggressive river scour had caused excessively differential settlement and rotation. Another example is a scour prevention measure for a railway bridge crossing the river Danube in Vienna, by wrapping the old foundation with a box-shaped pile structure.

The bearing-deformation-behaviour of single piles, pile groups and box – foundations were investigated by 1g – model tests in sand. The main point was to find correlations between the bearing – settlement of the box – shaped foundation and the interaction piles-raft-enclosed soil.
For this work three different kind of box-models were used. One of them was a model of the new foundation of Danube bridge Pöchlarn (Lower Austria).
Furthermore the functions of two several pile groups were checked. The result is that the bearing – deformation – behaviour of such foundations is significantly better than that of conventional pile groups.
Numerous model tests were investigated and the results summarized. Comprehensive calculations were carried out with a three – dimensional finite element program. The calculations led to an understanding of bearing – deformation - behaviour. Comparative parametric studies exhibited the influence of a cohesion within and outside the ²foundation boxes².
Based on these investigations a list of factors influencing essentially the load - bearing behaviour is given, showing the interaction piles-raft-soil.
Furthermore, theoretical aspects of this foundation method and the results of in-situ measurements of the Danube bridge Pöchlarn are presented. The calculated results based on numerical methods were compared with the experimental results and the in-situ measurements.

Finally, these results of model tests of in-situ site measurements on box – shaped large diameter bored piles foundations are correlated.
Also described is a practical design storm based on Austrian standards. Suggestions are made to define ultimate limit states and serviceability limit states.

In dieser Forschungsarbeit wird das Trag- und Setzungsverhalten von vertikal belasteten ein- und dreizelligen Kastenfundierungen untersucht. Diese wirken als Verbundkörper, die aus Rostplatte und Pfählen oder Schlitzwänden sowie dem Baugrund, bestehen.
Über das Tragverhalten dieser Fundierungen, speziell über das Mittragen des vom Kasten eingeschlossenen Bodens, gab es bis jetzt nur wenige Untersuchungen. Diese Arbeiten beschränkten sich auf Berechungen mit Hilfe der Theorie des elastisch isotropen Halbraumes. Auf der Grundlage der Mindlin’schen Lösungen wurden mathematische Modelle für Gründungskästen mit kreisförmigen Grundriss beschrieben. Mit diesen theoretischen Annahmen ließen sich die Lastverteilungen auf die Sohle und die Mantelfläche der Kästen sowie des eingeschlossenen Bodens nur ungenügend beschreiben.

Die Bedeutung von Kastenfundierungen aus Pfählen oder Schlitzwänden hat in den letzten Jahren wegen der Erzielung größerer Traglasten gegenüber Pfahlgruppen stark zugenommen. Ihr Einsatzbereich ist vor allem bei Brücken zur Abtragung von hohen Vertikallasten. So wurden sämtliche neuen Donaubrücken in Österreich mit Pfahlkastenfundierungen gegründet. Dieses Gründungsverfahren fand darüber hinaus Anwendung bei der Sanierung des infolge Auskolkung schwer geschädigten Flusspfeilers der Autobahnbrücke bei Kufstein und für Verstärkungen von bestehenden Brückenfundierungen (z.B. Hebung der Ostbahnbrücke in Wien).

Im Zuge dieser Forschungsarbeit wurde eine Vielzahl von 1g- Modellversuchen mit Pfahlgruppen, Pfahlkästen und Einzelpfählen in Sand durchgeführt. Der Schwerpunkt der Versuche bestand darin, Zusammenhänge zwischen dem Trag- und Setzungsverhalten der Kästen und der Interaktion Pfahl-Rostplatte-Boden zu finden. Dabei wurden drei unterschiedlich große Modellkästen verwendet, wobei einer eine vereinfachte Abbildung der Fundierung der im Bau befindlichen Donaubrücke Pöchlarn darstellte.

Zusätzlich wurde die Wirkungsweise von zwei verschiedenen Pfahlgruppen im Modellversuch untersucht. Dabei ergaben sich neue Erkenntnisse auf Grund einer systematischen Gegenüberstellung des Tragverhaltens von Pfahlgruppen mit Pfahlkästen unter Modellversuchsbedingungen.

Die zahlreichen Modellversuche wurden ausgewertet und zusammenfassend vorgestellt. Anhand der Resultate erfolgte eine Aufstellung der wesentlichen Einflussfaktoren für die Interaktion Rostplatte – Pfähle – Boden.

Die Modellversuche im Sand wurden mittels numerischer Berechnungsverfahren mit einem räumlichen (3D) Finite Element Modell erweitert. Es erfolgten umfangreiche Studien und Vergleichsberechungen u.a. unter Berücksichtigung eines Kohäsionsanteiles. Mit Hilfe der Berechnungen wurde das Tragverhalten der Modellkästen nachvollzogen, wodurch weitere Rückschlüsse auf deren Wirkungsweise möglich wurden.

Zusätzlich wurden die Messdaten der Kastenfundierung der neuen Donaubrücke bei Pöchlarn in die Arbeit aufgenommen. Die Erkenntnisse aus den Modellversuchen mit ²Fertigteil – Modellpfählen² wurden den geotechnischen Messungen der Bohrpfahlgründung mit großem Durchmesser gegenübergestellt.

Anhand der Modellversuche, der numerischen Berechungen und der Baustellenmessungen wurde in Anlehnung an die ÖNORM B 4435 – 2 eine praxisgerechte theoretische Modellbildung für den Tragfähigkeits- und Gebrauchstauglichkeitsnachweis erstellt. Diese Nachweise beruhen auf den bisher gebräuchlichen Bemessungsverfahren für Kastengründungen. Dabei wurden die erforderlichen rechnerischen Grundbruchsicherheiten aufgrund von Erfahrungswerten empirisch festgelegt.