Modellversuch zur vertikalen Tragfähigkeitsleistung von nachinjetierten Pfählen mit unterschiedlichen Vergussmaterialien

Stärkere Stützen unter unseren Füßen

Moderne Städte bauen auf tiefen Fundamenten – langen Säulen, den sogenannten Pfählen, die das Gewicht von Gebäuden, Brücken und Bahntrassen in den Untergrund ableiten. In Sandböden, besonders dort mit fließendem Grundwasser, können diese Pfähle jedoch im Laufe der Zeit an Tragfähigkeit verlieren. Diese Studie untersucht eine einfache Idee mit großer Wirkung: Wenn wir nachträglich verschiedene flüssige Mischungen um die Pfähle injizieren, welche Rezeptur lässt den Boden den Pfahl am besten greifen und sorgt dafür, dass schwere Bauwerke sicherer und stabiler stehen?

Wie Ingenieure unsichtbare Fundamente verstärken

Die Forschenden konzentrierten sich auf ein Verfahren, das als Nachverpressung (Post-Grouting) bekannt ist. Nachdem ein Pfahl eingebracht wurde, werden dünne Schläuche entlang seiner Seiten verwendet, um eine wässrige Zementmischung in den Sand zu pumpen. Wenn diese Mischung aushärtet, bildet sie eine verstärkte Hülle um den Pfahl, die mehr Last aufnehmen kann. Das Team verglich vier solcher Mischungen – normalen Zement, Zement mit Natriumsilikat, eine Mischung aus Flugasche und Zement sowie ein neueres Material namens Geopolymer – mit Pfählen ohne jegliche Vergussmaßnahme. Sie bauten sorgfältig kontrollierte Modellpfähle im kleinen Maßstab in einem großen Stahlbehälter mit Sand auf und ahmten in einigen Versuchen sogar den natürlichen Grundwasserfluss durch den Boden nach.

Zusehen, wie Pfähle mehr Last tragen bei weniger Setzung

Jeder Modellpfahl wurde schrittweise von oben belastet, während Instrumente maßen, wie stark er einsank und wie sich die Kräfte entlang seiner Länge verteilten. Alle vier vergossenen Pfähle trugen deutlich mehr Gewicht als der unvergossene Pfahl, bevor Anzeichen des Versagens auftraten. Die Flugasche–Zement- und Geopolymer-Mischungen verdoppelten nahezu die Tragfähigkeit des Pfahls, während die normale Zementmischung diese mehr als verdreifachte. Spitzenreiter war die Zement–Natriumsilikat-Mischung, die die Tragfähigkeit auf fast das Fünffache des unbehandelten Pfahls erhöhte und glatte Last–Setzungs-Kurven lieferte, was bedeutet, dass der Pfahl bei zunehmender Belastung nicht plötzlich einsank.

Wie der Boden den Pfahl greift

Die Messungen zeigten, dass der größte Teil der zusätzlichen Festigkeit nicht vom Bodendruck an der Pfahlspitze herrührte, sondern von Reibung entlang der Schaftseite. Durch das Vergussverfahren nahmen die Kräfte vom Pfahlkopf zur Spitze schneller ab, was zeigt, dass der umgebende Sand stärker mitwirkte. Im besten Fall lag der durchschnittliche Seitenwiderstand der Zement–Natriumsilikat-Mischung mehr als fünfmal über dem des unvergossenen Pfahls. Unter fließendem Wasser hatte dieser Zweiflüssigkeitsverguss klar die Nase vor reinem Zement, weil er schneller erhärtete, weniger ausspülte und eine dickere, wirksamere verstärkte Zone entlang des Schafts bildete.

Was im Kornmaßstab passiert

Um zu verstehen, warum manche Mischungen besser funktionierten, schnitt das Team Proben des ausgehärteten Vergusses aus und untersuchte sie mit einem Rasterelektronenmikroskop. Unbehandelte Sandkörner wirkten kantig und locker gepackt, mit vielen offenen Hohlräumen. Nach dem Verguss hinterließen alle Mischungen Netzwerke aus mikroskopischen Kristallen und Gelen, die Körner zusammenklebten und Lücken füllten. Die Zement–Natriumsilikat-Mischung erzeugte das dichteste Geflecht aus verflochtenen Produkten und schuf eine eng verriegelte Struktur. Auch die Geopolymer-Mischung bildete reichlich Bindematerial, während die Flugasche–Zement-Mischung viele unveränderte Aschekugeln zeigte, was darauf hindeutet, dass ihre Festigkeit durch unvollständiges Erhärten begrenzt war.

Was das für Projekte in der Praxis bedeutet

Für Nicht-Fachleute ist die Schlussfolgerung klar: Das Injizieren der richtigen Flüssigkeit um Pfähle kann die sichere Tragfähigkeit erheblich steigern und die Setzungen verringern, selbst in von Grundwasser durchströmten Sandböden. Während alle getesteten Vergussmassen halfen, hob sich die Zement–Natriumsilikat-Mischung durch schnelles Abbinden, starke Bindung und bessere Widerstandsfähigkeit gegen Auswaschung hervor. Das weist Ingenieure auf zuverlässigere und potenziell kürzere oder schlankere Fundamente hin, die Material- und Kostenersparnis ermöglichen und gleichzeitig die Sicherheit der darauf ruhenden Bauwerke verbessern.

Zitation: Chu, C., Yi, T., Qin, Y. et al. Model test study on the vertical bearing performance of post-grouted piles based on different grouting materials. Sci Rep 16, 14635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44882-x

Schlüsselwörter: Pfahlgründungen, Bodenverbesserung, Vergussmaterialien, Sandboden, Geopolymer