Mantelreibung (Pfahl)
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Als Mantelreibung wird die Reibungskraft zwischen Boden und Pfahlmantel bezeichnet, die sich aus einer Relativverschiebung zwischen Pfahl und Boden beziehungsweise Fels ergibt. Sie wird auf die Mantelfläche bezogen und mit der Einheit einer Spannung, meist in kN/m², angegeben. Neben dem Spitzendruck ist sie eine der beiden Komponenten, die zusammen den Pfahlwiderstand ergeben.
Sie nimmt hierbei zunächst mit der Pfahlsetzung zu, bis der Bruchwert der Pfahlmantelreibung erreicht ist. Ab diesem Punkt wird die Mantelreibung mit weiterer Pfahlsetzung als konstant angenommen. Die Mobilisierung der Reibung erfolgt bei Böden meist nach wenigen Zentimetern. Bei Pfahlgründungen in Fels sind für die volle Mobilisierung oft bereits wenige Millimeter ausreichend.
Es gibt auch Fälle, in denen sich der umgebende Baugrund stärker setzt, als der Pfahl selbst. Dann ist von negativer Mantelreibung die Rede.
Unterschiede bei der notwendigen Pfahlverschiebung zur Mobilisierung der Mantelreibung sind bei der Bemessung von Pfählen zu beachten. Bei einem Pfahl, dessen unterer Teil in Fels und oberer Teil in Boden liegt, ergibt sich meist keine ausreichende Setzung, um die Pfahlmantelreibung im Bereich des Bodens voll ansetzen zu können.
Das Prinzip der Aktivierung der Mantelreibung lässt sich einfach am eigenen Körper nachvollziehen. Umfasst man mit der Hand den Unterarm resultiert hieraus noch keine Reibung. Bewegt man Hand oder Unterarm nun gegeneinander, ist ein deutliches Ziehen zu spüren.
Erfahrungswerte der Mantelreibung für Boden und Fels
Die Höhe der Mantelreibung hängt zum einen vom Pfahlsystem und zum anderen vom Baugrund selbst ab. Zum Beispiel weisen Verdrängungspfähle in der Regel eine höhere Mantelreibung als Bohrpfähle auf und bei sandigen Böden können meist höhere Werte als bei tonigen Böden erzielt werden.
Für die Bemessung von Pfahlgründungen wird oft auf Erfahrungswerte zurückgegriffen, die sich über einfach zu bestimmende oder abzuschätzende Kennwerte wie dem Spitzenwiderstand der Drucksonde, der Kohäsion oder der einaxialen Druckfestigkeit definieren.
Folgende Erfahrungswerte für Bohrpfähle werden beispielsweise in den Empfehlungen des Arbeitskreises „Pfähle“ (EA-Pfähle) für nichtbindige Böden, bindige Böden und Fels vorgeschlagen:
| Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde [MN/m²] | Bruchwert qs,k der Pfahlmantelreibung [kN/m²] |
|---|---|
| 7,5 | 55 – 80 |
| 15 | 105 – 140 |
| ≥ 25 | 130 – 170 |
| Kohäsion cu,k des undränierten Bodens [kN/m²] | Bruchwert qs,k der Pfahlmantelreibung [kN/m²] |
|---|---|
| 60 | 30 – 40 |
| 150 | 50 – 65 |
| ≥ 250 | 65 – 85 |
| Einaxiale Druckfestigkeit qu,k [MN/m²] | Bruchwert qs,k der Pfahlmantelreibung [kN/m²] |
|---|---|
| 0,5 | 70 – 250 |
| 5,0 | 500 – 1.000 |
| 20,0 | 500 – 2.000 |
Die vorgenannten Werte gelten nur unter bestimmten Bedingungen und ihre Anwendbarkeit ist im konkreten Einzelfall durch einen Sachverständigen für Geotechnik zu bestätigen.
Bestimmung über Pfahlprobebelastungen
Es besteht die Möglichkeit, die Mantelreibung eines konkreten Pfahles durch Pfahlprobebelastungen zu ermitteln. Dies ist natürlich deutlich aufwendiger als eine einfache Anwendung von Erfahrungswerten.
Allerdings kann dies notwendig sein, wenn für ein bestimmtes Pfahlsystem in Verbindung mit bestimmten Baugrundverhältnissen keine Erfahrungswerte vorliegen.
Auch können durch Probebelastungen oft eine deutlich höhere Mantelreibung angesetzt werden, da die Erfahrungswerte vergleichsweise konservativ sind. Gerade bei größeren Bauvorhaben mit vielen Pfählen kann die Bestimmung über Pfahlprobebelastungen gegebenenfalls zu einer deutlichen Optimierung der Gründung einhergehen. Dies führt dann zu Kosteneinsparungen, die die Kosten für die Versuche deutlich übersteigen können.
