Stress state developments during the installation of pipe piles in sand and their influence on the lateral load-bearing behaviour

Monopiles are the preferred foundation for offshore wind turbines in Europe. These large-diameter pipe piles transfer predominantly horizontal loads to the soil by means of lateral bedding. The piles are commonly installed by impact driving. Vibratory driving as alternative installation method has advantages regarding installation time, fatigue and environmental aspects. However, the experiences with this installation technique for offshore foundations are limited. There are concerns regarding the influences on the load-bearing behaviour. To close this gap, comparing scale model tests were carried out with impact and vibratory driven pipe piles. During the installation of the model piles, forces and motions were measured at the pile head and radial stresses were measured in the soil. Soil stress developments known from impact driven piles were also witnessed in certain cases of vibratory installation. In such cases, a specific 'vibratory driving mode' could be identified from the pile head motion. After end of driving, increased soil stresses remained especially near the pile toe ('installation effect'). During subsequent cyclic loading, the load-displacement behaviour of the first cycle, the displacement accumulation as well as lateral stiffness over cycle count and the further development of soil stresses were analysed. Different lateral behaviour depending on the installation parameters could be identified. The 'certain' vibrated piles mentioned above showed similar lateral behaviour as impact driven piles while other vibrated piles behaved softer. Due to changes of loading direction, a back-accumulation of pile head displacement together with re-arrangements of soil stresses could be witnessed. The increased soil stresses near the pile toe observed at certain piles largely remained after cyclic loading. For the static lateral calculation of monopile foundations, a one-dimensional bedded beam (Winkler foundation) on nonlinear springs (p-y curves) is commonly used. A modified p-y approach considering the soil stresses due to pile installation effects was developed and shows good agreement with the first loading cycle of each model test. For offshore cases, the influence of increased soil stresses near the pile toe on the static lateral behaviour was predicted as well. The activation of lateral bedding below the point of zero displacement ('toe kick') is decisive for this behaviour. For the lower displacement accumulation during cyclic loading in case of increased soil stresses, a possible explanation could be found as well.
Monopfahlgründungen stellen die Vorzugsvariante bei Gründung von Offshore-Windenergieanlagen dar. Diese Stahlrohrpfähle großen Durchmessers tragen die vornehmlich horizontalen Lasten durch laterale Bettung in den Baugrund ab. Die Installation der Pfähle erfolgt mittels Schlagrammung. Die Vibrationsrammung als alternatives Einbringverfahren hat Vorteile hinsichtlich Installationszeit, Stahlermüdung und Umwelteinwirkungen. Die Erfahrungen mit dem Verfahren für Offshore-Gründungspfähle sind jedoch begrenzt und Bedenken bestehen insbesondere hinsichtlich er Auswirkungen auf das Tragverhalten. Um diese Lücke zu schließen wurden vergleichende Modellversuche mit geschlagenen und vibrierten Rohrpfählen durchgeführt. Während der Installation der Modellpfähle wurden die am Pfahlkopf angreifenden Kräfte und resultierenden Bewegungen sowie die radial auf den Pfahl wirkenden Spannungen im Boden gemessen. Von geschlagenen Pfählen bekannte Spannungsentwicklungen im Boden wurden auch bei vibrierten Pfählen gemessen, bei denen anhand der Pfahlbewegungen ein bestimmter 'Vibrationsmodus' identifiziert werden konnte. Nach Ende der Pfahlinstallation blieben insbesondere im Bereich des Pfahlfußes erhöhte Bodenspannungen erhalten ('Installationseffekt'). Für die anschließende zyklisch laterale Belastung wurden das Last-Verformungsverhalten des ersten Belastungszyklus, die Verformungsakkumulation und die Entwicklung der Systemsteifigkeit infolge zyklischer Belastung sowie die weitere Entwicklung der Bodenspannungen ausgewertet. Ein unterschiedliches laterales Verhalten konnte in Abhängigkeit der gewählten Installationsparameter festgestellt werden. Die o.g. 'bestimmten' vibrierten Pfähle zeigten dabei ein ähnliches Verhalten wie geschlagene Pfähle, während andere vibrierte Pfähle sich 'weicher' verhielten. Infolge mehrerer Richtungswechsel der zyklisch lateralen Belastung konnten ein Rückgang der zuvor akkumulierten Verformungen und gelichzeitig Spannungslagerungen im Boden festgestellt werden. Die bei bestimmten Pfählen auftretenden erhöhten Bodenspannungen im Bereich des Pfahlfußes blieben auch nach der zyklischen Belastung weitestgehend erhalten. Die statische laterale Berechnung von Monopfahlgründungen erfolgt i.d.R. als eindimensionaler, gebetteter Balken (Winkler-Balken) mit nichtlinearen Federkennlinien (p-y-Kurven). Ein modifizierter p-y-Ansatz zur Berücksichtigung der Bodenspannungen infolge der Pfahlinstallation wurde entwickelt und zeigt gute Übereinstimmungen mit dem jeweils ersten Belastungszyklus der Modellversuche. Auch für Monopfahlgründungen im Offshore-Maßstab wurde ein Einfluss erhöhter Bodenspannungen im Bereich des Pfahlfußes auf das statisch laterale Tragverhalten prognostiziert. Die Aktivierung lateraler Widerstände unter dem Nulldurchgang der Biegelinie des Pfahls ('toe kick') ist hierfür entscheidend. Für die geringeren Verformungen infolge zyklischer Belastung bei erhöhten Bodenspannungen konnte ebenfalls ein Erklärungsansatz gefunden werden.
Mitteilung des Instituts für Geomechanik und Geotechnik, vol. 112