4 Pælefundering
Dette afsnit giver retningslinjer for, hvordan en pælefundering kan udformes og dimensioneres.
Følgende forhold behandles:
- Placering, rammedybde og indstøbning af pæle
- Fastlæggelse af bæreevne for trykbelastede pæle i hhv. kohæsions- og friktionsjord.
Desuden beskrives pæles sætningsforhold samt specielle forhold som asfaltering af pæle, ramning gennem kohæsionsjord og pælekobling.
4.1 Udformning af pælefundering
Når oversiden af bæredygtige lag (OSBL) ligger mere end 3 meter under terræn, er pælefundering ofte den mest økonomiske løsning. Det gælder især, hvis der også er væsentlige grundvandsproblemer forbundet med at gennemføre en direkte fundering, en fundering på borede fundamenter, eller en sandpudefundering.
Pælene udføres oftest af armeret beton og leveres i ønsket længde fra fabrik i dimensionerne 0,20 m × 0,20 m eller 0,25 m × 0,25 m.
I de efterfølgende afsnit 4.1.1 til 4.1.3 gennemgås retningslinjer for placering, nedramning og indstøbning af pæle.
4.1.1 Placering af pæle
Ved pælefundering koncentreres den samlede last fra bygværkets vægge og gulve på et antal pæle, som kan føres til relativt store funderingsdybder ved ramning.
Bygningens bærende vægge bæres af fritspændende fundamentsbjælker af jernbeton mellem de opragende pælehoveder. Gulvene udføres som plader af for eksempel jernbeton, der bærer nyttelasten samt de lette vægge. Et eksempel på anordning af pæle og fundamentsbjælker er vist i figur 11.
Både fundamentsbjælkerne og de fritspændende gulvplader kan eventuelt vælges som præfabrikerede elementer.
Der må i denne sammenhæng udvises påpasselighed, fordi for store spændvidder på betondragerne kan medføre for store og dermed skadelige nedbøjninger.
Betonen i pælene skal kunne optage den regningsmæssige last i de respektive lasttilfælde. Dette volder normalt ingen vanskeligheder med den betonkvalitet, der anvendes ved produktionen af pælene.
Den færdige pæls placering og hældning må ikke afvige mere end ± 0,10 meter henholdsvis 1:50 fra den forudsatte. Ved større afvigelser skal det ved beregninger af den ændrede konstruktion godtgøres, at pæle og overbygning fortsat vil fungere som oprindeligt projekteret.
Figur 11. Eksempel på anordning af pæle og fundamentsbjælker.
4.1.2 Rammedybde
Pælene skal for at opnå tilstrækkelig bæreevne rammes ned i de bæredygtige aflejringer, dvs. ned under niveauet for OSBL. Den nødvendige rammedybde i disse lag afhænger af en lang række forhold. For pæledimensionering er en eventuel højdeforskel mellem overside af bæredygtige lag (OSBL) og højest mulige funderingsniveau for terrændæk (AFRN) af forsvindende betydning. I det følgende er AFRN benyttet som den grænse, hvorunder jordlagenes bæreevne altid er positiv.
Forhold, som skal iagttages ved pæleramning, er beskrevet i afsnit 8.6, Pæleramning.
4.1.3 Indstøbning af pæle
Under ideelle forhold og forudsat intakt pæletop efter nedramning er det kun nødvendigt at føre toppen af trykpæle 0,05 meter op i den armerede betondrager.
Sædvanligvis anses det dog for ønskeligt at indspænde pælen i drageren for at imødegå virkningen af mindre excentriciteter og unøjagtigheder af forskellig art. Der anvendes derfor en så lang pæl, at den efter ramning kan kappes ca. 0,5 meter over bjælkens underside, hvorefter dens armering frihugges og eventuelt udbøjes, se figur 12.
Figur 12. Ved pælefundering udstøbes armerede fundamentsbjælker mellem pælene til at bære bygningens vægge. For at skabe god forbindelse mellem pæle og fundamentsbjælker støbes bjælkeundersiden mindst 0,05 meter dybere end pæleoversiderne, og pælenes armering frilægges på en længde af mindst 0,5 meter; eventuelt udbøjes armeringen. Al armering skal have et dæklag på mindst 30 mm.
Umiddelbart inden støbning af fundamentsbjælken må det kontrolleres, at al armering i både pæl og bjælke, herunder også bøjler, vil få et dæklag på mindst 30 mm i den færdigstøbte samling. Dette dæklag er foreskrevet i Eurocode 2 (DS/EN 1992-1-1+AC2008) (Dansk Standard, 2008).
Eurocode 2 tillader i øvrigt, at der støbes direkte mod jord, hvis dæklagets tykkelse forøges til mindst 75 mm, og jorden i renden samtidig afdækkes med for eksempel plastfolie. Det må understreges, at denne løsning kun bør anvendes under ideelle omstændigheder og skærpet kontrol, fordi der har været en række uheld med denne løsning. Støbning i forskalling må derfor anbefales.
4.2 Fastlæggelse af pæles bæreevne
Pæles bæreevne skal eftervises i brudgrænsetilstanden og i anvendelsesgrænsetilstanden. For pælefunderinger af mindre bygninger udføres eftervisningen af anvendelsesgrænsetilstanden sædvanligvis ved en ækvivalent brudberegning frem for en egentlig fastlæggelse af flytningerne, idet Eurocode 7 – Del 1 (Dansk Standard, 2007c) kræver, at der som led i en sætningsvurdering skal gennemføres en undersøgelse, hvor de nedadrettede kræfter på overbygning og pæle på grund af sætninger i lagene over AFRN medtages som pælelast.
Bæreevneeftervisningerne i såvel brudgrænse- som anvendelsesgrænsetilstand udføres derfor med regningsmæssige laster og regningsmæssige bæreevner, og det skal eftervises, at de regningsmæssige laster er mindre end pælens regningsmæssige bæreevner.
Denne anvisning omfatter kun pæle, der er trykbelastet.
En pæls bæreevne, Rc, består af en spidsmodstand, Rb, og en overflademodstand, Rs, fra de bæredygtige jordlag, som pælen gennemtrænger, se figur 13.
Overflademodstanden i de sætningsgivende aflejringer, dvs. lagene over det højest mulige funderingsniveau for terrændækket (AFRN), kaldes Fneg og er, som antydet i figur 13, principielt 'bærende' i brudgrænsetilstanden, mens den konverteres til en last på pælen i anvendelsesgrænsetilstanden. Fneg fastlægges ved geostatisk beregning af overflademodstanden over AFRN. I forhold til Eurocode 7 – Del 1 (Dansk Standard, 2007c) er der i denne anvisning på den sikre side indført den forenkling, at Fneg er sat til nul i brudgrænsetilstanden. I anvendelsesgrænsetilstanden bidrager kun lagene under AFRN positivt til bæreevnen.
De regningsmæssige laster bestemmes ved at multiplicere de karakteristiske laster med partialkoefficienter, og hvis flere variable laster virker samtidigt desuden faktorer for kombinationsværdi, som det fremgår af Eurocode 0 (Dansk Standard, 2007a), Eurocode 1 – Del 1-1, Del 1-3 og Del 1-4 (Dansk Standard, 2007b) samt Eurocode 7 – Del 1 (Dansk Standard, 2007c).
De regningsmæssige bæreevner i brudgrænsetilstanden og i anvendelsesgrænsetilstanden bestemmes ved at dividere bæreevnen med henholdsvis ξ γR og , hvor ξ benævnes korrelationsfaktoren og γR partialkoefficienten.
Værdien af γR fastlæggges i relation til den geotekniske kategori. I geoteknisk kategori 2 og 3 er γR = 1,3. I geoteknisk kategori 1 forhøjes partialkofficienten γR med 25 %, dvs. γR = 1,63. Værdien af korrelationsfaktoren ξ afhænger af den metode, der anvendes ved fastlæggelsen af pælens bæreevne.
Brudgrænsetilstanden
Pælene skal rammes så langt ned under OSBL, at pælens beregnede spidsmodstand, Rb;ber, sammen med pælens samlede beregnede overflademodstand i de bæredygtige aflejringer, Rs;ber, påført korrelationsfaktor og partialkoefficient, kan bære den regningsmæssige pælebelastning, Fc;d, i brudgrænsetilstanden, dvs.:
Anvendelsesgrænsetilstanden
Dersom jordlagene over AFRN ~ OSBL sætter sig, fx som følge af opfyldning, forøges den regningsmæssige last i anvendelsesgrænsetilstanden, Fc;d*, med lasten Fneg, og disse bidrag skal tilsammen kunne bæres af pælens spidsmodstand, Rb;ber, sammen med pælens samlede overflademodstand fra de bæredygtige aflejringer, Rs;ber, (begge med reduceret korrelationsfaktor og partialkoefficient), dvs.
Fc;d* beregnes her med reducerede partialkoefficienter på den variable last, jf. appendiks B, Eksempel B.4. Pælelængder.
Både formel (5) og (6) skal opfyldes.
Figur 13. Når oversiden af de bæredygtige lag (OSBL) ligger dybt, anvendes pælefundering.
4.2.1 Pæle med spidsen i kohæsionsjord
Hvor de geotekniske boringer er ført under pælespidsniveau, kan spidsmodstanden og overflademodstanden findes ved en geostatisk pæleberegning. Denne metode anvises i det nationale anneks til Eurocode 7 – Del 1 (Dansk Standard, 2007c) for pæle med spidsen i kohæsionsjord. Med udgangspunkt i den geostatiske beregning fastlægges den karakteristiske bæreevne af pælene som:
hvor ξ er en korrelationsfaktor til bestemmelse af den karakteristiske værdi ud fra den beregnede værdi. For geostatisk beregning er ξ = 1,5.
De geostatiske formler for overflade- og spidsmodstand, hhv. Rs;ber og Rb;ber i de forskellige lag, som pælen penetrerer er:
Overflademodstand i kohæsionsjord
Overflademodstand i friktionsjord
Spidsmodstand i kohæsionsjord
dog kan der for meget fast moræneler (cv > 150 kN/m2) sædvanligvis regnes med
hvor
er pælens tværsnitsareal [m2]. | |
er pælens overfladeareal i det betragtede lag [m2]. | |
er en materialefaktor, der afhænger af pælens overfladeruhed. For fabriksstøbte jernbetonpæle er m ~ 1,0. | |
er regenerationsfaktoren, der er et mål for, i hvor høj grad lerets styrke reduceres pga. æltningen under pæleramningen. Faktoren afhænger af lerets oprindelige vingestyrke, cv, således: r = 1,0 for cv ≤ 40 kN/m2 r = 40 / cv for 40 < cv ≤ 100 kN/m2 r = 0,4 for 100 < cv ≤ 500 kN/m2. Ved beregning af negativ overflademodstand sættes dog r = 1 uanset størrelsen af cv. | |
er det betragtede lerlags udrænede forskydningsstyrke, cu ~ cv. For cv > 500 kN/m2 sættes cu = 500 kN/m2. Ved beregning i sprækket ler gælder for overflademodstanden også cu ~ cv, fordi brudfladen (pælens sider) ikke forløber langs sprækkerne i jorden, mens der ved beregning af spidsmodstanden anvendes cu ~ 1/3 cv. | |
er en empirisk faktor for overflademodstand i friktionsjord. For trykpæle sætter Eurocode 7 – Del 1 Nm ~ 0,6. | |
er den effektive spænding midt i det betragtede lag (totalspænding minus opdrift) [kN/m2]. |
Før beregning af overflademodstanden opdeles jordprofilet i et passende antal lag, afhængigt af jordarter (kohæsionsjord-friktionsjord), styrkeforhold m.m., så der for hvert lag kan ansættes repræsentative værdier for cu etc. AFRN vil altid blive en 'laggrænse' i beregningen, fordi overflademodstanden i de sætningsgivende lag over AFRN (= Fneg) skal beregnes separat. Når alle lagene langs pælen er beregnet, summeres overflademodstandene under AFRN til Rs og overflademodstandene over AFRN til Fneg.
Den geostatiske pæleberegning er afsluttet, når de tre værdier Rs;ber, Rb;ber og Fneg er fundet og vurderet ved formel (18) og (19) i afsnittet om regningsmæssig bæreevne, se afsnit 4.2.4, Geoteknisk kategori 2.
Et eksempel på en geostatisk pæleberegning findes i appendiks B, Eksempel B.4. Pælelængder.
4.2.2 Pæle med spidsen i friktionsjord
For pæle med spidsen i friktionsjord gælder de geostatiske formler i afsnit 4.2.1, Pæle med spidsen i kohæsionsjord, for overflademodstandene Rs;ber og Fneg uændret, mens fastlæggelsen af Rb;ber er så usikker, at den geostatiske beregning ikke kan bruges ved fastlæggelsen af en pæls bæreevne – medmindre der er foretaget tryksondering (CPT) som led i de geotekniske forundersøgelser.
Den danske rammeformel
For pælefundering af mindre bygninger er anvendelse af en rammeformel hensigtsmæssig til fastlæggelse af pælenes bæreevne, når spidsen står i friktionsjord. Næsten alle pæle i Danmark nedbringes ved ramning på pæletoppen med en ramklods styret af en 'mægler', hvilket giver mulighed for på veldefineret måde at måle den energi, der forbruges til nedramningen. Rammeenergien pr. slag kan indsættes i en empirisk formel, der giver bæreevnen ved den pågældende rammemodstand. Metoden er bedst egnet, når hovedparten af rammemodstanden stammer fra pælens spids, og det er netop tilfældet, når denne står i en friktionsjordart.
I praksis tælles antallet af slag, N, pr. 0,2 meter nedsynkning af pælen, og denne talserie noteres i en rammejournal.
Det nationale anneks til Eurocode 7 – Del 1 (Dansk Standard, 2007c) anbefaler 'Den Danske Rammeformel' til at bestemme karakteristisk brudbæreevne:
hvor ξ er en korrelationsfaktor til at udlede den karakteristiske værdi ud fra den målte værdi. Ved bestemmelse med udgangspunkt i Den Danske
Rammeformel er
og
og
hvor
er pælens dynamiske bæreevne [kN ]. | |
er en effektivitetsfaktor, der angiver forholdet mellem den energi et slag med ramklodsen overfører til pæletoppen og klodsens teoretisk maksimale energi, svarende til at klodsen faldt frit. For meget gamle rammemaskiner med hængemægler og ramklodsen hængende i en wire sættes η ~ 0,7. Forrige generation af rammemaskiner løfter ramslaget med hydrauliske anordninger, der ikke som en wire på en spiltromle påfører ramslaget energitab under det efterfølgende slag. For disse hydrauliske rammemaskiner sættes η = 0,95 á 1,0. Den nyeste generation af rammemaskiner har yderligere accelereret ramslag og kan udvise værdier af effektivitetsfaktoren på op til η = 1,2. | |
er ramklodsens faldhøjde [m]. | |
er ramklodsens vægt [kN ]. | |
er pælens blivende nedsynkning pr. slag [m]. | |
er pælens elastiske sammentrykning som følge af ramslaget [m]. | |
er pælens længde [m]. | |
er pælens tværsnitsareal [m2]. | |
er pælematerialets elasticitetsmodul [kN/m2]. For jernbetonpæle sætter Eurocode 7 E = 20 · 106 kN/m2. |
Prøveramning
Ved alle pæleramninger bør de første pæle rammes som prøvepæle, hvor der føres rammejournal for hele rammelængden. Ud over de optalte N-værdier skal rammejournalen indeholde alle relevante data for rammemaskinen (η, h og G) samt pælens længde og tværsnit. Desuden bør terrænkoten ved rammestedet fremgå.
Resultaterne af prøveramningen benyttes til at beregne variationerne i Rdyn;m under hele rammeforløbet – én værdi for hver 0,2 meter ramning. Resultaterne kan anvendes generelt til at afsløre variationer og eventuelle afvigelser i bundforholdene. Hvis der foreligger geostatiske beregninger, kan resultaterne af de to metoder til fastlæggelse af bæreevnen sammenholdes.
Produktionsramning
Under den efterfølgende produktionsramning føres rammejournaler for de sidste ca. 1 til 2 meters ramning for alle pæle.
Slagantallet, N, under de sidste 0,2 meters ramning benyttes til at bestemme en given pæls Rdyn;m.
4.2.13 Geoteknisk kategori 1 – fastlæggelse af regningsmæssig bæreevne
I geoteknisk kategori 1 tillader Eurocode 7 – Del 1 (Dansk Standard, 2007c), at boredybderne begrænses til kun at fastlægge oversiden af de bæredygtige lag (OSBL). Fneg kan da beregnes geostatisk med formlerne for overflademodstand, mens Rs;ber og Rb;ber ikke kan findes geostatisk; ligesom det vil være ukendt, om pælespidserne kommer til at stå i kohæsions- eller friktionsjord.
Eurocode 7 tillader i dette tilfælde, at pælenes bæreevne fastlægges ud fra den dynamiske bæreevne fundet af rammeformlen, idet det antages, at:
hvor
er en faktor mellem 0 og 1, der beskriver i hvilken grad, de sætningsgivende jordlag over AFRN bidrager til rammemodstanden. Hvis lagene over AFRN består af blødbund, fx gytje, tørv og lignende, sættes n ~ 0. Består lagene over AFRN derimod af jord med nogen styrke, fx fast fyld af ler eller sand, sættes n ~ 0,5 á 1. Hvis der er tvivl om størrelsen af n, vil det altid være på den sikre side at sætte n = 1. |
Brudgrænsetilstand
Pælene i geoteknisk kategori 1 skal undersøges i brudgrænsetilstanden, hvor der som sikkerhed anvendes:
Anvendelsesgrænsetilstand
For dette beregningstilfælde anvendes en sikkerhed på bæreevnen svarende til:
Eftervisning af krav
De to dimensionsbestemmende krav (formel (5) og (6)) lyder da vha. formel (12) og (15):
og
Fc;d og Fc;d* er den regningsmæssige last på pælene fra bygværket, se appendiks B, Eksempel B.3. Last på fundamenter.
Det understreges, at alle krævede sikkerheder er indregnet i formel (16) og (17). Pælelængderne må skønnes i geoteknisk kategori 1. Normalt kan det antages, at rammedybden i de bæredygtige lag (pælelængden under AFRN) bliver 5 til 7 meter, men der kan forekomme væsentlige afvigelser herfra. De indledende prøvepæle kan for en sikkerheds skyld vælges i overlængder på 1 til 2 meter i forhold til ovennævnte.
4.2.4 Geoteknisk kategori 2 – fastlæggelse af regningsmæssig bæreevne
I geoteknisk kategori 2 skal de geotekniske boringer være ført så dybt, at jordprofilet kendes til et stykke under pælespids.
I geoteknisk kategori 2 er sikkerhederne i henholdsvis brudgrænse- og anvendelsesgrænsetilstand:
og
Pælespidser i ler
For pælefunderinger med spidserne i ler gennemføres en geostatisk pæleberegning for hver af de foreliggende boringer, og de opstillede krav i brudgrænsetilstand og anvendelsesgrænsetilstand eftervises med pælelasterne Fc;d, henholdsvis Fc;d*:
De to dimensionsbestemmende krav lyder jf. formel (5) og (6):
og
De to krav bestemmer pælelængderne ved borestederne. Imellem disse kan der indledningsvis interpoleres, men de endelige længder fastlægges ved at benytte rammeformlen, se afsnit 4.2.2, Pæle med spidsen i friktionsjord.
Da pælene står med spidserne i ler, giver rammeformlen ikke nødvendigvis den korrekte bæreevne. Ofte er:
Til trods for det er Rdyn;m generelt velegnet til at drage sammenligninger til prøvepæle, der er placeret ved boringer, hvor de 'korrekte' bæreevner er beregnet geostatisk. Det viser sig nemlig ofte, at forskellen:
er nogenlunde konstant i et mindre byggefelt.
Dette forhold kan udnyttes til at opstille en modificeret rammeformel:
som benyttes til at fastlægge stopkriterier for ramning af pæle mellem borestederne, idet Rdyn;m,korr - n Fneg ~ Rs;ber + Rb;ber indsættes i formel (18) og (19).
Pælespidser i sand
For pæle med spidsen i sand benyttes rammeformlen på samme måde som i geoteknisk kategori 1.
De to dimensionsbestemmende krav (formel (5) og (6)) lyder da vha. formel (12) og (15):
og
Pælelængderne må derfor først skønnes og siden verificeres under prøve- og produktionsramningen. Fneg fastlægges ved geostatisk beregning af overflademodstanden over AFRN.
4.2.5 Geoteknisk kategori 3 – fastlæggelse af regningsmæssig bæreevne
I geoteknisk kategori 3 skal der altid foretages en nøjere analyse med henblik på opstilling af sikre retningslinjer for fastlæggelse af pælenes regningsmæssige bæreevne. Specielt kræver anvendelse af rammeformlerne nøje overvejelse.
Normalt vil det være aktuelt at anvende belastningsforsøg på pælene som et led i fastlæggelse af de nødvendige rammekriterier.
4.3 Pæles sætningsforhold
Pæles sætningsforhold skal vurderes i forhold til den geotekniske kategori, som funderingsprojektet er placeret i.
I geoteknisk kategori 3 skal sætningsforholdene altid underkastes en nøjere analyse. I geoteknisk kategori 1 og 2 kan det uden videre antages, at sætningerne vil blive acceptable, når pælenes bæreevne er påvist at være tilstrækkelig.
Anvendelse af flere funderingsformer inden for samme bygning, fx direkte fundering for én del og pælefundering for en anden del, kræver altid nøjere overvejelse. Normalt volder det ingen vanskelighed at udforme funderingen på en sådan måde, at den differenssætning på omkring 10 mm, der normalt vil være tale om, kan optages af den del af bygningen, der danner overgangszonen mellem de forskellige funderinger. Det kan for eksempel gennemføres ved at forlænge de pælefunderede fundamenters og gulves armering over i de nærmest liggende 3 til 4 meter direkte funderede fundamenter og gulve.
Drastiske indgreb i form af adskillelse af de to bygningsdele ved indlægning af en fuge eller i form af anvendelse af pæle under hele bygningen er derfor kun motiveret under specielle forhold.
4.4 Specielle forhold
Asfaltering af pæle
Hvis overflademodstanden i de sætningsgivende aflejringer Fneg er stor, kan kravene i formlerne (17), (19) og (21) betyde en væsentlig fordyrelse af pælefunderingen, se afsnit 4.2.3, Geoteknisk kategori 1, og 4.2.4, Geoteknisk kategori 2.
I sådanne tilfælde har det derfor hidtil været god praksis at tilstræbe en reduktion af Fneg ved asfaltering af de dele af pæleoverfladerne, der ligger over AFRN, med et lag af mindst 1 mm asfaltbitumen med penetration 80-100. Fneg tillades reduceret til 10 kN/m2 pæleoverflade, men den reducerede Fneg må dog ikke sættes lavere end 25 % af den geostatisk beregnede værdi.
Rammeformel i ler
Hvis pælespidserne under ramningen penetrerer kohæsionsjord, vil Den Danske Rammeformel ofte give bæreevner, som er mindre end de geostatisk beregnede, se afsnit 4.2.1, Pæle med spidsen i kohæsionsjord.
Forskellene er relativt små, hvis der er tale om fast moræneler (cv > 300 kN/m2), og kan blive ganske store, hvis der er tale om blødt ler eller fedt, tertiært ler. Anvendelse af rammeformel i stedet for at udføre dybe boringer og geostatiske beregninger (som formel (16) og (17)) er derfor på den sikre side, hvis n ∙Fneg er beregnet korrekt, men fremgangsmåden er ofte så meget på den sikre side, at den er uøkonomisk. Dette gælder dog ikke tilfældet med det faste moræneler.
Manchet- eller kassestød/ pælekoblinger
Rammede pæle, der er dannet af to pælestykker, som er samlet ('stablet') ved anvendelse af manchet- eller kassestød, må kun anvendes i geoteknisk kategori 1. For pæle, der er samlet på denne måde, har det hidtil været god praksis at beregne bæreevnerne med dobbelt så store værdier af partialkoefficienterne. Desuden må det kræves, at samlingerne, som er uden stivhed i sideretningen, ikke efter ramningen er placeret i sætningsgivende lag. Endvidere skal hele rammeforløbet registreres for hver pæl.
Disse meget strenge krav vil normalt være ensbetydende med, at pælene i geoteknisk kategori 1 – ligesom i geoteknisk kategori 2 og 3 – i stedet for må samles med kvalitetspælekoblinger, der leveres indstøbt i pælene fra fabrik.