Wirksamkeit von Nachverpressungen für die Verbesserung der vertikalen Tragfähigkeit bei extra langen Bohrpfählen: Fallstudien aus Feldversuchen

Tiefgründungen sicherer machen

Wenn Städte höhere Türme, längere Brücken und schwerere Energieinfrastrukturen bauen, müssen deren Gründungen enorme Lasten tragen, ohne zu sinken oder aufzuwölben. Diese Studie untersucht eine verbreitete Methode zur Verstärkung sehr tiefer Stahlbetonfundamente, sogenannte extra lange Bohrpfähle, indem nachträglich Zementsuspensionen an ihren Spitzen injiziert werden. Die Autoren verwenden reale Versuchsfelder statt kleiner Laborversuche und stellen eine praktische Frage, die für Ingenieure und die Öffentlichkeit gleichermaßen wichtig ist: Wann und wie macht diese Nachverpressung Fundamente tatsächlich sicherer, und wo liegen ihre Grenzen?

Warum Ingenieure Zement unter Pfähle injizieren

Extra lange Bohrpfähle sind hohe, schlanke Stahlbetonsäulen, die tief in den Boden gebohrt werden, um Wolkenkratzer, Brücken, Umspannwerke und Offshore-Bauwerke zu tragen. Das Bohren kann den Boden um den Pfahl lockern und Sedimente an der Pfahlspitze hinterlassen, was die Verankerung im Untergrund verringert. Die Nachverpressung versucht, dies zu beheben, indem nach dem Aushärten des Betons Zementsuspension durch Rohre an der Pfahlspitze oder entlang der Seitenlage gepumpt wird. Der Mörtel verteilt sich, füllt Hohlräume, verdichtet den Boden und verhärtet zu einer zementierten Masse, die den Kontakt zwischen Pfahl und Boden verbessert. Frühere Projekte deuteten darauf hin, dass diese Methode die Tragfähigkeit eines Pfahls stark erhöhen kann, doch viele Ingenieure fragten sich, ob dieselben Vorteile auch für sehr lange Pfähle in unterschiedlichen Bodentypen gelten.

Was sieben reale Projekte zeigten

Um diese Frage zu klären, fassten die Autoren Fallstudien aus sieben Feldversuchen an vollmaßstäblichen, extra langen Pfählen zusammen, die in realen Gebäuden und Energieanlagen eingesetzt wurden. Sie untersuchten sowohl Druckbeanspruchung (Kompression, wie das Gewicht eines Gebäudes) als auch Zugbeanspruchung (Auftrieb, wie bei durch Wasserdruck hochgedrückten Bauwerken). Bei einem Hochhausprojekt ruhten Pfähle von mehr als 50 Metern Länge auf einer dicken Schlammschicht. Die Nachverpressung an den Pfahlspitzen verwandelte den lockeren Schlamm in einen steifen Zement–Boden-Block. Dadurch nahm die Setzung am Pfahlkopf deutlich ab und die Pfähle konnten deutlich höhere Lasten tragen, bevor Versagensanzeichen auftraten. Ähnliche Versuche an Zugpfählen für eine Küstenumspannanlage zeigten, dass verpresste Pfähle sich bei gleicher Auftriebskraft weniger bewegten als Pfähle mit verbreiterten Sohlen ohne Verpressung; ihre Messergebnisse waren zudem gleichmäßiger, was auf eine zuverlässigere Ausführungsqualität hindeutet.

Wie der Bodentyp den Nutzen verändert

Die Studie analysierte anschließend, wie die Verstärkung des Bodens direkt unter der Pfahlspitze den Reibungswiderstand entlang des Pfahlkörpers in verschiedenen Untergrundverhältnissen verändert. In schluffigem Ton, sandigen Böden und Kies wirkte die Spitzenverpressung nicht nur als Versteifung der Basis; sie erhöhte auch die Reibung entlang des unteren Pfahlabschnitts. Durch die Verfolgung der Kraftverläufe in der Tiefe stellten die Autoren fest, dass der Seitenwiderstand nach der Verpressung um etwa 11 % im schluffigen Ton, 39 % im Sand und 46 % im Kies zunahm. In diesen Fällen drang der Mörtel von der Spitze nach oben, rauhte die Schnittstelle zwischen Beton und Boden auf und schuf eine stärkere Kontaktzone mehrere Meter über der Spitze. Das Endergebnis war ein Pfahl, der bei hohen Lasten weniger setzte und mehr Belastung ohne plötzlichen Versagensbeginn aufnehmen konnte.

Wann Verstärkung nach hinten losgehen kann

Die Feldversuche zeigten jedoch auch, dass höhere Tragfähigkeit am ultimativen Grenzzustand nicht immer ein besseres Verhalten unter alltäglichen Nutzlasten bedeutet. In mehreren Projekten setzten verpresste Pfähle bei moderaten Lasten tatsächlich stärker als unverpresste, obwohl sie letztlich mehr Last bis zum Versagen aufnahmen. Dies trat auf, wenn Verpressungsparameter — wie Druck, Volumen oder Zeitpunkt — schlecht kontrolliert wurden, was zu ungleichmäßiger Verstärkung oder sogar lokaler Schwächung des Seitenwiderstands in der Nähe des Pfahlkopfs führte. Bei Glockenfußpfählen mit vergrößerten Spitzen hatte die Verpressung manchmal nur geringen Einfluss auf die Anfangssteifigkeit und führte in einigen Fällen zu größeren Anfangssetzungen als bei traditionellen Pfählen. Diese Befunde unterstreichen, dass Nachverpressung kein Allheilmittel ist; ihr Erfolg hängt stark von Ausführung und Bodenverhalten ab.

Was das für künftige Gründungen bedeutet

Insgesamt kommen die Autoren zu dem Schluss, dass Nachverpressung ein wirkungsvolles Mittel ist, um die letztmögliche Tragfähigkeit und die Sicherheitsreserven extra langer Bohrpfähle in einer breiten Palette von Böden, insbesondere Sand und Kies, zu verbessern. Durch die Verstärkung des Bodens unter der Pfahlspitze reduziert sie nicht nur tiefe Setzungen, sondern erhöht auch die Reibung entlang des unteren Pfahlkörpers, was sowohl die Druck- als auch die Zugleistung verbessert. Die Methode hat jedoch klare Grenzen: Wenn der Verpressungsprozess schlecht gesteuert wird, kann die Anfangssteifigkeit ausfallen oder sich unter Normalbelastung sogar verschlechtern. Für Planer und Bauausführende lautet die zweifache Botschaft: Nachverpressung kann Tiefgründungen sicherer und zuverlässiger machen, aber nur, wenn der Bauablauf sorgfältig geplant, überwacht und auf die lokalen Bodenverhältnisse abgestimmt wird.

Zitation: Xie, X., Hu, T., Wang, L. et al. Effectiveness of post-grouting on the vertical response improvement for extra-long bored piles: case studies on field tests. Sci Rep 16, 12326 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42485-0

Schlüsselwörter: Bohrpfähle, Nachverpressung, Tiefgründungen, Bodenverstärkung, Lastprüfung