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EP1016759A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung eines Baugrundes unter Ermittlung des Verdichtungsgrades - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung eines Baugrundes unter Ermittlung des Verdichtungsgrades Download PDF

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Publication number
EP1016759A1
EP1016759A1 EP99124258A EP99124258A EP1016759A1 EP 1016759 A1 EP1016759 A1 EP 1016759A1 EP 99124258 A EP99124258 A EP 99124258A EP 99124258 A EP99124258 A EP 99124258A EP 1016759 A1 EP1016759 A1 EP 1016759A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
deep vibrator
angular position
vibrator
deep
deflection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99124258A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Dr.-Ing. Köcher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Keller Grundbau GmbH
Original Assignee
Keller Grundbau GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Keller Grundbau GmbH filed Critical Keller Grundbau GmbH
Publication of EP1016759A1 publication Critical patent/EP1016759A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D1/00—Investigation of foundation soil in situ
    • E02D1/02—Investigation of foundation soil in situ before construction work
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/02—Improving by compacting
    • E02D3/046—Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil
    • E02D3/054—Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil involving penetration of the soil, e.g. vibroflotation

Definitions

  • the invention relates to a method for improving a Soil under determination of the degree of compaction, in which a tubular deep vibrator brought vertically into the ground is that by means of a deep vibrator about a longitudinal axis of the deep vibrator driven rotating unbalance mass accelerated in relation to a horizontal plane on a vibratory circular path becomes.
  • the power consumption of the vibrator motor for driving the unbalance and above concluded on the degree of compaction of the soil.
  • the soil properties must be determined before compaction in order to achieve a maximum based on empirical values To be able to determine the energy consumption of the vibrator motor at which can be assumed to have sufficient compression of the ground has been reached.
  • the power consumption is however depending on the type of vibrator, so that specific Empirical values must be formed.
  • the degree of compaction over the amount of the addition material for backfilling the resulting from the shaking Funnel can be determined in the ground. Both mentioned However, procedures are very rough and can be done by local Deviations in the previously determined soil properties are strong to be influenced.
  • the object of the present invention is a method of provide the type mentioned, with which during the Vibration process statements about the degree of compaction of a building ground can be made and the shaking process depending the data determined in this way is controlled.
  • the object is achieved in that a lead angle between the angular position of the deep vibrator deflection on the vibrating orbit and the angular position of the Imbalance mass determined in the deep vibrator in a horizontal plane becomes.
  • the lead angle serves as a parameter for the determination the degree of compaction, with a decreasing lead angle on a decreasing compaction performance of the deep vibrator and indicates an increasing degree of compaction of the subsoil.
  • Dependence on the lead angle as a parameter for the degree of compaction is the deep vibrator brought into the ground Compaction performance controlled.
  • the deep vibrator moves in relation to a horizontal plane on a vibrating circuit.
  • the deep vibrator tumbles around a zero point on a longitudinal axis of the deep vibrator lies.
  • the vibrating orbit has diameters of different sizes on.
  • it is not to determine the lead angle a quantitative determination of the deep vibrator's deflection required in the horizontal plane, only the Direction of deflection.
  • the position of the selected measuring level is therefore irrelevant for determining the lead angle. You may however, do not go through the zero point. Because the zero point through constructive measures on the deep vibrator as far as possible in the area the coupling between the deep vibrator and the pipe string on which the deep vibrator is attached, is placed, a measuring level if possible provided at the lower end of the deep vibrator.
  • a loose, non-compacted soil reacts largely plastically to the excitement of the deep vibrator.
  • the grounding process becomes denser and reacts less plastically and more elastic.
  • With an ideally compacted soil the reaction would be linearly elastic.
  • the deep vibrator therefore initially does the work of pushing away of the soil in a radial direction.
  • the share of compaction performance in total performance thus becomes lower. This causes the lead angle between the angular position of the unbalance mass and the deflection of the deep vibrator becomes smaller. With an ideal Circular path of the deep vibrator without output for compaction the lead angle is zero.
  • the lead angle is defined so that that in a horizontal Flat angle, which is from a first straight line, the through the center of the vibrating circular path and through the longitudinal axis of the deep vibrator in the deflected state, and of a second straight line that runs through the longitudinal axis of the deep vibrator in the deflected state and by the focus of the Unbalanced mass runs, is included, is determined.
  • a pulse that by means of a pulse generator at a certain angular position the unbalanced mass is generated, a measurement of the Angular position of the deflection of the deep vibrator in at least triggers a measuring level.
  • the angular position of the deflection of the deep vibrator in the Measuring plane can be determined with a pair of accelerometers be, the accelerometers on a Measurement plane are arranged and the acceleration in two vertical and measure planes perpendicular to each other. It can a second pair of accelerometers is also provided be, with the accelerometers on another Measurement plane are arranged and the acceleration in two Measure vertical and perpendicular planes.
  • the deep vibrator is preferably used after reaching a final depth gradually shaking out of the ground at vibrating intervals drawn, the vibration intervals when falling below a predetermined minimum lead angle are ended.
  • the compaction effect of the vibrator can therefore be immediate be reacted to. If the desired one is reached early The degree of compaction is thus interrupted, so that the process is highly economical.
  • the deep vibrator can be reached after reaching a final depth pulled continuously and shaking from the ground and the speed, with the deep vibrator pulled out of the ground becomes inversely proportional to the course of the size of the lead angle be managed.
  • the invention is also based on the object of a deep vibrator to create data with during the jogging process can be determined via the degree of compaction of a subsoil can and with which the shaking process depending on the so determined data can be regulated.
  • a deep vibrator with a essential tubular vertically arranged housing, with one arranged in the housing about a longitudinal axis of the housing rotatingly driven unbalanced mass, with means for determining the angular position of the unbalance mass in the deep vibrator and with at least one pair of accelerometers, which in a measuring plane with measuring axes lying at right angles to each other are arranged and with those based on the measured accelerations the angular position of the deflection of the deep vibrator the vibrating circular path can be determined.
  • A is preferred another pair of accelerometers are provided, which in a further measuring plane with perpendicular to each other Measuring axes are arranged and with those based on the measured Accelerations the angular position of the deep vibrator deflection can be determined on the Rüttler circuit.
  • a favorable further training includes a pulse generator, which at a measurement at a certain angular position of the unbalance mass triggered by the accelerometer.
  • An evaluation and control unit is preferably provided, with depending on a lead angle between the angular position the deflection of the deep vibrator on the vibratory circuit and the angular position of the unbalance mass that of the deep vibrator Compaction performance brought into the subsoil can be regulated is.
  • Figure 1 shows an essentially cylindrical deep vibrator 1 with a longitudinal axis 2. At an upper end is the deep vibrator 1 with an elastic coupling element 3 coaxially a pipe string 4 arranged and connected to this.
  • the Pipe linkage 4 can be used with the deep vibrator 1 in a building ground Insert vertically.
  • the deep vibrator 1 comprises a cylindrical housing 5 in which a shaft 6 is mounted coaxially to the longitudinal axis 2 via roller bearings 7, 8 is.
  • the shaft 6 is with a shaft journal 9 of an electric motor 10 connected to drive the shaft 6.
  • an unbalanced mass 11 is firmly connected to it.
  • circumferentially distributed swords 12 arranged prevent rotation of the housing 5 in the ground.
  • the shaft 6 with the unbalance mass 11 from the electric motor 12 driven in rotation To bring the deep vibrator 1 into the ground or around the Compact the ground with the deep vibrator 1 installed in the ground, the shaft 6 with the unbalance mass 11 from the electric motor 12 driven in rotation.
  • the deep vibrator 1 leads a wobble around a zero point, the zero point lies on the longitudinal axis 2 of the deep vibrator 1.
  • the deep vibrator 1 is designed so that the zero point is as close as possible of the elastic coupling element 3. This prevents that the movement of the deep vibrator 1 on the pipe string 4 is transmitted.
  • the deep vibrator 1 executes a circular path movement, the longitudinal axis moving on a vibratory circular path. By this movement of the deep vibrator 1, the building ground in Borehole compressed.
  • Both in the area of the upper end and in the area of the lower End of the deep vibrator 1 are each in the housing 5 A pair of accelerometers 13, 13 ', 14, 14' are arranged.
  • Each pair of accelerometers 13, 13 ', 14, 14' is in a measuring plane 21, 22 arranged, the measuring axes of the accelerometers 13, 13 ', 14, 14' of a pair at right angles are arranged to each other.
  • Using the accelerometer 13, 13 ', 14, 14' is the direction of the deflection of the Deep vibrator 1 determined. In principle, the Direction of deflection a pair of accelerometers 14, 14 'sufficient.
  • two pairs of accelerometers 13, 13 ', 14, 14' can also Waveform, i.e.
  • the deflection of the deep vibrator 1 is measured by a Pulse generator 15 initiated.
  • the pulse generator 15 can for example, a proximity switch that one Triggers as soon as a cam or a groove that matches the Imbalance mass 11 rotates, passes the proximity switch.
  • FIG. 2 shows the deep vibrator according to FIG. 1 in a cross section along the section line II-II.
  • the electric motor 10 is arranged coaxially to the longitudinal axis 2.
  • the housing 5 On the inner surface of the housing 5 are two accelerometers 13, 13 'attached in a first measuring plane.
  • the measuring axes X, Y of the accelerometers 13, 13 ' lie in the sectional plane and are arranged at right angles to each other.
  • Figure 3 shows a schematic representation of the deep vibrator 1 in a cross section along the section line III-III. Matching components have the same reference numerals as provided in Figure 1. On the associated description Referred.
  • Figure 3 shows the vibration of the deep vibrator 1 in a horizontal Plane that coincides with the cutting plane.
  • the Longitudinal axis 2 of the deep vibrator 1 moves in the horizontal Level on a vibratory circular path 17.
  • the vibratory circular path 17 shows the path on which the longitudinal axis 2 of the deep vibrator 1 is moved in the horizontal plane. If the deep vibrator 1 has a compaction performance for compaction of the soil, there is a lead angle ⁇ between the direction of the deflection of the deep vibrator 1 on the Haittlernikbahn 17 and the direction of the position of the unbalanced mass 11 in the deep vibrator 1.
  • the lead angle ⁇ can be between a first straight line 18, which passes through the center 19 of the vibrating orbit 17 of the deep vibrator 1 and the longitudinal axis 2 of the Deep vibrator 1 runs in the vibrating state, and one second straight line 20 through the longitudinal axis 2 of the deep vibrator 1 in the vibrating state and the center of gravity 16 of the unbalanced mass 11 runs, determine.
  • a free vibration of the deep vibrator 1 are the first straight line 18 and the second Just 20 each other, so that the lead angle Vor the value zero assumes. If the deep vibrator 1 carries out compaction work, the unbalanced mass 11 runs ahead and the first straight line 18 and the second straight line 20 includes a lead angle ⁇ .
  • the Lead angle ⁇ is therefore a parameter for the degree of compression, depending on the lead angle ⁇ that of the deep vibrator 1 compaction performance introduced into the subsoil is controlled.
  • FIG. 4 shows the course of the lead angle ⁇ over time t in the event that the deep vibrator is pulled out of the ground shaking in shaking intervals step by step after reaching an end depth.
  • the deep vibrator is at the final depth and the lead angle ⁇ has a maximum value.
  • the lead angle ⁇ steadily decreases due to increasing compaction of the subsoil.
  • a predetermined limit value ⁇ min is reached.
  • the deep vibrator is then pulled a bit from the ground in the period from time B to time C.
  • time C the deep vibrator reaches a depth at which the subsoil is not yet compacted and the lead angle ⁇ again assumes a maximum value.
  • the lead angle ⁇ analogously to the first vibration interval decreases steadily until the limit value ⁇ min is reached again at time D and from time D to time E, the deep vibrator is one more piece from the Soil pulled. Further vibration intervals follow until the subsoil is compacted over the desired depth range.
  • the diagram in FIG. 5 shows the course of the lead angle ⁇ and the course of the drawing speed V over the depth T in the event that the deep vibrator is continuously shaken from the ground.
  • the depth T decreases from left to right on the horizontal axis.
  • the final depth F of the deep vibrator is therefore shown on the left in the diagram.
  • the deep vibrator is operated in a shaking manner without the deep vibrator being pulled out of the ground.
  • the lead angle ⁇ decreases continuously with increasing degree of compression until a minimum lead angle ⁇ min is reached.
  • the deep vibrator is then continuously pulled out of the ground at an initially constant pulling speed. It can be seen that the lead angle ⁇ changes during the drawing. In the example shown, the lead angle ⁇ initially increases continuously until a maximum value ⁇ max is reached.
  • the lead angle ⁇ again decreases continuously until a minimum value ⁇ min is reached and the drawing speed V is increased again in depth H.
  • the lead angle ⁇ is thus kept between the two limit values ⁇ max and ⁇ min by reducing the drawing speed V in the depth F and increasing the drawing speed V in the depth K again, so that the degree of compression does not exceed a maximum degree of compression and a minimum degree of compression not less. This is controlled via the pulling speed. At a high drawing speed, low compaction performance is introduced into a soil layer, whereas at a lower drawing speed, a higher compaction performance is introduced into a soil layer.

Landscapes

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung eines Baugrundes unter Ermittlung des Verdichtungsgrades, bei dem ein Tiefenrüttler 1 vertikal in den Baugrund niedergebracht wird, der mittels einer im Tiefenrüttler 1 um eine Längsachse 2 drehend angetriebenen Unwuchtmasse 11 bezogen auf eine horizontale Ebene auf eine Rüttlerkreisbahn beschleunigt wird. Um während des Rüttelvorgangs Aussagen über den Verdichtungsgrad des Baugrundes machen zu können, ist vorgesehen, daß ein Vorlaufwinkel zwischen der Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers 1 auf der Rüttlerkreisbahn und der Winkelposition der Unwuchtmasse 11 in einer horizontalen Ebene ermittelt wird, welcher als Kenngröße zur Bestimmung des Verdichtungsgrades dient, wobei in Abhängigkeit vom Vorlaufwinkel, die vom Tiefenrüttler 1 in den Baugrund eingebrachte Verdichtungsleistung gesteuert wird. Der Tiefenrüttler 1 weist hierzu eine in einem Gehäuse des Tiefenrüttlers rotierend antreibbare Unwuchtmasse 11 auf, sowie zumindest ein Paar von Beschleunigungsaufnehmern 14, welche in einer Meßebene mit rechtwinklig zueinander liegenden Meßachsen angeordnet sind, mit denen die Auslenkung des Tiefenrüttlers 1 auf der Rüttlerkreisbahn ermittelt werden kann. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung eines Baugrundes unter Ermittlung des Verdichtungsgrades, bei dem ein rohrförmiger Tiefenrüttler vertikal in den Baugrund niedergebracht wird, der mittels einer im Tiefenrüttler um eine Längsachse des Tiefenrüttlers drehend angetriebenen Unwuchtmasse bezogen auf eine horizontale Ebene auf eine Rüttlerkreisbahn beschleunigt wird.
Bei bekannten Verfahren dieser Art wird die Leistungsaufnahme des Rüttlermotors zum Antreiben der Unwucht ermittelt und darüber auf den Verdichtungsgrad des Bodens geschlossen. Zuvor müssen jedoch die Bodeneigenschaften vor der Verdichtung ermittelt werden, um somit anhand von Erfahrungswerten eine maximale Energieaufnahme des Rüttlermotors bestimmen zu können, bei der davon ausgegangen werden kann, daß eine ausreichende Verdichtung des Baugrunds erreicht ist. Die Leistungsaufnahme ist jedoch von der Art des Rüttlers abhängig, so daß spezifische Erfahrungswerte gebildet werden müssen. Beim Herstellen von Stopfsäulen unter Zugabe von Schotter, Kies, Zuschlägen, Suspension oder Fertigmörtel kann der Verdichtungsgrad über die Menge des Zugabematerials zur Verfüllung des durch das Rütteln entstehenden Trichters im Baugrund ermittelt werden. Beide genannten Verfahren sind jedoch sehr grob und können durch örtliche Abweichungen der zuvor ermittelten Bodeneigenschaften stark beeinflußt werden.
Aus der DE 41 30 339 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Tiefenrüttler in Stufen nach oben gezogen und in Rüttelintervallen rüttelnd betrieben wird, wobei die Größe der Zeitdauer der Rüttelintervalle in Abhängigkeit von der Lagerungsdichte der jeweiligen Bodenschichten gesteuert wird. Hierzu ist es jedoch notwendig, daß die Lagerungsdichte der jeweiligen Bodenschicht vor dem Rütteln mittels Entnahme von Proben oder mittels Sondierungen festgestellt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem während des Rüttelvorgangs Aussagen über den Verdichtungsgrad eines Baugrundes gemacht werden können und der Rüttelvorgang in Abhängigkeit der so ermittelten Daten gesteuert wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Vorlaufwinkel zwischen der Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers auf der Rüttlerkreisbahn und der Winkelposition der Unwuchtmasse im Tiefenrüttler in einer horizontalen Ebene ermittelt wird. Der Vorlaufwinkel dient als Kenngröße zur Bestimmung des Verdichtungsgrades, wobei ein abnehmender Vorlaufwinkel auf eine abnehmende Verdichtungsleistung des Tiefenrüttlers und einen zunehmenden Verdichtungsgrad des Baugrundes deutet. In Abhängigkeit vom Vorlaufwinkel als Kenngröße für den Verdichtungsgrad wird die vom Tiefenrüttler in den Baugrund eingebrachte Verdichtungsleistung gesteuert.
Der Tiefenrüttler bewegt sich bezogen auf eine horizontale Ebene auf einer Rüttlerkreisbahn. In der Regel taumelt der Tiefenrüttler um einen Nullpunkt, der auf einer Längsachse des Tiefenrüttlers liegt. In Abhängigkeit von der Lage der horizontalen Ebene weist die Rüttlerkreisbahn somit unterschiedlich große Durchmesser auf. Zur Bestimmung des Vorlaufwinkels ist jedoch nicht eine quantitative Ermittlung des Ausschlages des Tiefenrüttlers in der horizontalen Ebene erforderlich, sondern lediglich die Richtung der Auslenkung. Die Lage der gewählten Meßebene ist daher zur Bestimmung des Vorlaufwinkeis unerheblich. Sie darf jedoch nicht durch den Nullpunkt gehen. Da der Nullpunkt durch konstruktive Maßnahmen am Tiefenrüttler möglichst in den Bereich der Kupplung zwischen Tiefenrüttler und dem Rohrgestänge, an dem der Tiefenrüttler befestigt ist, gelegt wird, wird eine Meßebene möglichst am unteren Ende des Tiefenrüttlers vorgesehen.
Ein lockerer, unverdichteter Boden reagiert weitgehend plastisch auf die Erregung des Tiefenrüttlers. Während des Verlaufs des Rüttelvorgangs wird der Boden dichter und reagiert weniger plastisch und stärker elastisch. Bei einem ideal verdichtetem Boden wäre die Reaktion rein linear elastisch. Im unverdichteten Boden leistet der Tiefenrüttler somit zunächst Arbeit beim Wegdrücken des Bodens in radiale Richtung. Sobald der Boden weitgehend verdichtet ist, läßt er sich annähernd nur noch elastisch verformen. Der Anteil der Verdichtungsleistung an der gesamten Leistung wird somit geringer. Dies führt dazu, daß der Vorlaufwinkel zwischen der Winkelposition der Unwuchtmasse und der Auslenkung des Tiefenrüttlers kleiner wird. Bei einer idealen Kreisbahn des Tiefenrüttlers ohne Leistungsabgabe für eine Verdichtung ist der Vorlaufwinkel gleich Null. Dies bedeutet, daß der Mittelpunkt der Rüttlerkreisbahn, die Längsachse des Tiefenrüttlers im ausgelenkten Zustand und der Schwerpunkt der Unwuchtmasse auf eine horizontale Ebene projiziert auf einer Geraden liegen. Je größer die Verdichtungsleistung ist, desto größer ist der Vorlaufwinkel. Dies bedeutet, die Unwuchtmasse hat einen gewissen Vorlauf vor der Auslenkung des Tiefenrüttlers. Die Größe des Vorlaufwinkels liefert demnach einen Hinweis auf den Verdichtungsgrad des Bodens.
Der Vorlaufwinkel ist so definiert, daß der in einer horizontalen Ebene liegende Winkel, welcher von einer ersten Geraden, die durch den Mittelpunkt der Rüttlerkreisbahn und durch die Längsachse des Tiefenrüttlers im ausgelenkten Zustand verläuft, und von einer zweiten Geraden, die durch die Längsachse des Tiefenrüttlers im ausgelenkten Zustand und durch den Schwerpunkt der Unwuchtmasse verläuft, eingeschlossen ist, ermittelt wird.
Zur Ermittlung des Vorlaufwinkels ist vorgesehen, daß ein Impuls, der mittels eines Impulsgebers bei einer bestimmten Winkelposition der Unwuchtmasse erzeugt wird, eine Messung der Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers in zumindest einer Meßebene auslöst.
Die Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers in der Meßebene kann mit einem Paar von Beschleunigungsaufnehmern ermittelt werden, wobei die Beschleunigungsaufnehmer auf einer Meßebene angeordnet sind und die Beschleunigung in zwei vertikalen und senkrecht zueinander angeordneten Ebenen messen. Es kann zusätzlich ein zweites Paar von Beschleunigungsaufnehmern vorgesehen sein, wobei die Beschleunigungsaufnehmer auf einer weiteren Meßebene angeordnet sind und die Beschleunigung in zwei vertikalen und senkrecht zueinander angeordneten Ebenen messen.
Vorzugsweise wird der Tiefenrüttler nach Erreichen einer Endtiefe stufenweise in Rüttelintervallen rüttelnd aus dem Baugrund gezogen, wobei die Rüttelintervalle bei Unterschreiten eines vorgegebenen minimalen Vorlaufwinkels beendet werden.
Auf die Verdichtungswirkung des Rüttlers kann daher unmittelbar reagiert werden. Bei einem frühzeitigen Erreichen des gewünschten Verdichtungsgrades wird der Rüttelvorgang somit abgebrochen, so daß eine hohe Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erzielt wird.
Alternativ kann der Tiefenrüttler nach Erreichen einer Endtiefe kontinuierlich und rüttelnd aus dem Baugrund gezogen und die Geschwindigkeit, mit der der Tiefenrüttlers aus dem Baugrund gezogen wird, umgekehrt proportional zum Verlauf der Größe des Vorlaufwinkels geregelt werden.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Tiefenrüttler zu schaffen, mit dem während des Rüttelvorgangs Daten über den Verdichtungsgrad eines Baugrundes ermittelt werden können und mit dem der Rüttelvorgang in Abhängigkeit der so ermittelten Daten geregelt werden kann.
Die Aufgabe wird durch einen Tiefenrüttler gelöst mit einem im wesentlichen rohrförmigen vertikal angeordneten Gehäuse, mit einer im Gehäuse angeordneten um eine Längsachse des Gehäuses rotierend antreibbaren Unwuchtmasse, mit Mitteln zum Ermitteln der Winkelposition der Unwuchtmasse im Tiefenrüttler und mit zumindest einem Paar von Beschleunigungsaufnehmern, welche in einer Meßebene mit rechtwinklig zueinander liegenden Meßachsen angeordnet sind und mit denen anhand der gemessenen Beschleunigungen die Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers auf der Rüttlerkreisbahn ermittelt werden kann. Bevorzugt wird ein weiteres Paar von Beschleunigungsaufnehmern vorgesehen, welche in einer weiteren Meßebene mit rechtwinklig zueinander liegenden Meßachsen angeordnet sind und mit denen anhand der gemessenen Beschleunigungen die Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers auf der Rüttlerkreisbahn ermittelt werden kann.
Eine günstige Weiterbildung umfaßt einen Impulsgeber, der bei einer bestimmten Winkelposition der Unwuchtmasse eine Messung durch die Beschleunigungsaufnehmer auslöst.
Vorzugsweise ist eine Auswerte- und Regeleinheit vorgesehen, mit der in Abhängigkeit von einem Vorlaufwinkel zwischen der Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers auf der Rüttlerkreisbahn und der Winkelposition der Unwuchtmasse die vom Tiefenrüttler in den Baugrund eingebrachte Verdichtungsleistung regelbar ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Hierin zeigt
Figur 1
eine schematische Darstellung eines Tiefenrüttlers im Längsschnitt,
Figur 2
eine schematische Darstellung des Tiefenrüttlers gem. Figur 1 im Querschnitt durch die Schnittlinie II-II,
Figur 3
eine schematische Darstellung des Tiefenrüttlers gem. Figur 1 im Querschnitt durch die Schnittlinie III-III,
Figur 4
den Verlauf des Vorlaufwinkels ϕ über der Zeit bei stufenweisem Ziehen des Tiefenrüttlers und
Figur 5
den Verlauf des Vorlaufwinkeis ϕ und der Ziehgeschwindigkeit über der Tiefe bei kontinuierlichem Ziehen des Tiefenrüttlers.
Figur 1 zeigt einen im wesentlichen zylindrischen Tiefenrüttler 1 mit einer Längsachse 2. An einem oberen Ende ist der Tiefenrüttler 1 mit einem elastischen Kupplungselement 3 koaxial zu einem Rohrgestänge 4 angeordnet und mit diesem verbunden. Das Rohrgestänge 4 läßt sich mit dem Tiefenrüttler 1 in einen Baugrund vertikal einbringen.
Der Tiefenrüttler 1 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 5, in dem eine Welle 6 koaxial zur Längsachse 2 über Wälzlager 7, 8 gelagert ist. Die Welle 6 ist mit einem Wellenzapfen 9 eines Elektromotors 10 zum Antreiben der Welle 6 verbunden. Auf der Welle 6 ist eine Unwuchtmasse 11 fest mit dieser verbunden. Außen sind an dem Gehäuse 5 umfangsverteilte Schwerter 12 angeordnet, die eine Rotation des Gehäuses 5 im Baugrund verhindern.
Um den Tiefenrüttler 1 in dem Boden einzubringen oder um den Baugrund mit dem im Boden eingebrachten Tiefenrüttler 1 zu verdichten, wird die Welle 6 mit der Unwuchtmasse 11 von dem Elektromotor 12 drehend angetrieben. Der Tiefenrüttler 1 führt dabei eine Taumelbewegung um einen Nullpunkt aus, wobei der Nullpunkt auf der Längsachse 2 des Tiefenrüttlers 1 liegt. Der Tiefenrüttler 1 ist so ausgelegt, daß der Nullpunkt möglichst im Bereich des elastischen Kupplungselements 3 liegt. Somit wird verhindert, daß die Bewegung des Tiefenrüttlers 1 auf das Rohrgestänge 4 übertragen wird. In einer beliebigen horizontalen Meßebene führt der Tiefenrüttler 1 eine kreisförmige Bahnbewegung aus, wobei sich die Längsachse auf einer Rüttlerkreisbahn bewegt. Durch diese Bewegung des Tiefenrüttlers 1 wird der Baugrund im Bohrloch verdichtet.
Sowohl im Bereich des oberen Endes als auch im Bereich des unteren Endes des Tiefenrüttlers 1 sind im Gehäuse 5 jeweils ein Paar von Beschleunigungsaufnehmern 13, 13', 14, 14' angeordnet. Jedes Paar von Beschleunigungsaufnehmern 13, 13', 14, 14' ist in einer Meßebene 21, 22 angeordnet, wobei die Meßachsen der Beschleunigungsaufnehmer 13, 13', 14, 14' eines Paares rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Mittels der Beschleunigungsaufnehmer 13, 13', 14, 14' wird die Richtung der Auslenkung des Tiefenrüttlers 1 ermittelt. Prinzipiell ist zu Ermittlung der Richtung der Auslenkung ein Paar Beschleunigungsaufnehmer 14, 14' ausreichend. Da jedoch zwei Paare von Beschleunigungsaufnehmern 13, 13', 14, 14' vorgesehen sind, läßt sich zudem die Schwingungsform, d.h. neben der Lage der Auslenkung auch der Betrag der Auslenkung sowie der Winkel der Längsachse 2 des Tiefenrüttlers 1 gegenüber einer Bohrlochachse ermitteln. Eine Messung der Auslenkung des Tiefenrüttlers 1 wird durch einen Impulsgeber 15 initiiert. Bei dem Impulsgeber 15 kann es sich beispielsweise um einen Näherungsschalter handeln, der einen Impuls auslöst, sobald ein Nocken oder eine Nut, der/die mit der Unwuchtmasse 11 umläuft, den Näherungsschalter passiert.
Figur 2 zeigt den Tiefenrüttler gemäß Figur 1 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II. Innerhalb des Gehäuses 5 ist der Elektromotor 10 koaxial zur Längsachse 2 angeordnet. An der Innenfläche des Gehäuses 5 sind zwei Beschleunigungsaufnehmer 13, 13' in einer ersten Meßebene befestigt. Die Meßachsen X, Y der Beschleunigungsaufnehmer 13, 13' liegen in der Schnittebene und sind rechtwinklig zueinander angeordnet. Mittels der Beschleunigungsaufnehmer 13, 13' läßt sich somit die Bewegung des Tiefenrüttlers 1 in der ersten Meßebene, die durch die Meßachsen X, Y aufgespannt wird, ermitteln.
Figur 3 zeigt einen schematische Darstellung des Tiefenrüttlers gemäß Figur 1 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III. Übereinstimmende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. Auf die zugehörige Beschreibung wird Bezug genommen.
Figur 3 zeigt die Schwingung des Tiefenrüttlers 1 in einer horizontalen Ebene, welche mit der Schnittebene zusammenfällt. Die Längsachse 2 des Tiefenrüttlers 1 bewegt sich in der horizontalen Ebene auf einer Rüttlerkreisbahn 17. In der Darstellung ist die Unwuchtmasse 11 mit der Welle 6 entgegen dem Uhrzeigersinn rotierend angtrieben, so daß sich der Tiefenrüttler 1 ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn auf der Rüttlerkreisbahn 17 bewegt.
Die Rüttlerkreisbahn 17 zeigt die Bahn, auf der die Längsachse 2 des Tiefenrüttlers 1 in der horizontalen Ebene bewegt wird. Wenn der Tiefenrüttler 1 eine Verdichtungsleistung zum Verdichten des Bodens aufbringt, ergibt sich ein Vorlaufwinkel ϕ zwischen der Richtung der Auslenkung des Tiefenrüttlers 1 auf der Rüttlerkreisbahn 17 und der Richtung der Lage der Unwuchtmasse 11 im Tiefenrüttler 1. Der Vorlaufwinkel ϕ läßt sich zwischen einer ersten Geraden 18, die durch den Mittelpunkt 19 der Rüttlerkreisbahn 17 des Tiefenrüttlers 1 und die Längsachse 2 des Tiefenrüttlers 1 im schwingenden Zustand verläuft, und einer zweiten Geraden 20, die durch die Längsachse 2 des Tiefenrüttlers 1 im schwingenden Zustand und den Schwerpunkt 16 der Unwuchtmasse 11 verläuft, ermitteln. Bei einer freien Schwingung des Tiefenrüttlers 1 liegen die erste Gerade 18 und die zweite Gerade 20 aufeinander, so daß der Vorlaufwinkel ϕ den Wert Null annimmt. Wird vom Tiefenrüttler 1 eine Verdichtungsarbeit geleistet, läuft die Unwuchtmasse 11 vor und die erste Gerade 18 und die zweite Gerade 20 schließen einen Vorlaufwinkel ϕ ein. Der Vorlaufwinkel ϕ ist somit eine Kenngröße für den Verdichtungsgrad, wobei in Abhängigkeit vom Vorlaufwinkel ϕ die vom Tiefenrüttler 1 in den Baugrund eingebrachte Verdichtungsleistung gesteuert wird.
Figur 4 zeigt den Verlauf des Vorlaufwinkels ϕ über der Zeit t für den Fall, daß der Tiefenrüttler nach Erreichen einer Endtiefe stufenweise in Rüttelintervallen rüttelnd aus dem Baugrund gezogen wird. Im Zeitpunkt A befindet sich der Tiefenrüttler in der Endtiefe und der Vorlaufwinkel ϕ weist einen Maximalwert auf. Während eines ersten Rüttelintervalls vom Zeitpunkt A bis zum Zeitpunkt B nimmt der Vorlaufwinkel ϕ aufgrund einer zunehmenden Verdichtung des Baugrundes stetig ab. Im Zeitpunkt B ist ein vorbestimmter Grenzwert ϕmin erreicht. Der Tiefenrüttler wird daraufhin im Zeitraum vom Zeitpunkt B bis zum Zeitpunkt C ein Stück aus dem Baugrund gezogen. Zum Zeitpunkt C erreicht der Tiefenrüttler eine Tiefe, in der der Baugrund noch nicht verdichtet ist und der Vorlaufwinkel ϕ wiederum einen Maximalwert annimmt. Während des folgenden Rüttelintervalls vom Zeitpunkt C bis zum Zeitpunkt D nimmt der Vorlaufwinkel ϕ ananlog zum ersten Rüttelintervall stetig ab, bis der Grenzwert ϕmin zum Zeitpunkt D wieder erreicht ist und vom Zeitpunkt D bis zum Zeitpunkt E wird der Tiefenrüttler um ein weiteres Stück aus dem Baugrund gezogen. Weitere Rüttelintervalle schließen sich an, bis der Baugrund über den gewünschten Tiefenbereich verdichtet ist.
Das Diagramm in Figur 5 zeigt den Verlauf des Vorlaufwinkels ϕ und den Verlauf der Ziehgeschwindigkeit V über der Tiefe T für den Fall, daß der Tiefenrüttler kontinuierlich rüttelnd aus dem Baugrund gezogen wird. Die Tiefe T nimmt auf der horizontalen Achse von links nach rechts ab. Die Endtiefe F des Tiefenrüttlers ist somit links im Diagramm dargstellt. Zunächst wird der Tiefenrüttler rüttelnd betrieben, ohne daß der Tiefenrüttler aus dem Baugrund gezogen wird. Hierbei nimmt der Vorlaufwinkel ϕ mit steigendem Verdichtungsgrad kontinuierlich ab, bis ein minimaler Vorlaufwinkel ϕmin erreicht ist. Daraufhin wird der Tiefenrüttler kontinuierlich mit einer zunächst konstanten Ziehgeschwindigkeit aus dem Baugrund gezogen. Es ist erkennbar, daß sich der Vorlaufwinkel ϕ während des Ziehens verändert. Im gezeigten Beispiel nimmt der Vorlaufwinkel ϕ zunächst kontinuierlich zu, bis ein Maximalwert ϕmax erreicht ist. Dies bedeutet, daß der Verdichtungsgrad im Baugrund einen minimalen Grenzwert erreicht hat, so daß in der Tiefe G die Ziehgeschwindigkeit verringert wird, um eine erhöhte Verdichtung zu erreichen. Während des weiteren Verlaufs nimmt im gezeigten Beispiel der Vorlaufwinkel ϕ wieder kontinuierlich ab, bis ein Minimalwert ϕmin erreicht wird und in der Tiefe H die Ziehgeschwindigkeit V wieder erhöht wird. Der Vorlaufwinkel ϕ wird durch erneute Reduzierung der Ziehgeschwindigkeit V in der Tiefe F und erneute Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit V in der Tiefe K u.s.w. somit zwischen den beiden Grenzwerten ϕmax und ϕmin gehalten, so daß der Verdichtungsgrad einen maximalen Verdichtungsgrad nicht übersteigt und einen minimalen Verdichtungsgrad nicht unterschreitet. Gesteuert wird dies über die Ziehgeschwindigkeit. Bei einer hohen Ziehgeschwindigkeit wird geringe Verdichtungsleistung in eine Bodenschicht eingebracht, wohingegen bei einer geringeren Ziehgeschwindigkeit eine höhere Verdichtungsleistung in eine Bodenschicht eingebracht wird.
Bezugszeichenliste
1
Tiefenrüttler
2
Längsachse
3
elastisches Kupplungselement
4
Rohrgestänge
5
Gehäuse
6
Welle
7
Wälzlager
8
Wälzlager
9
Wellenzapfen
10
Elektromotor
11
Unwuchtmasse
12
Schwert
13
Beschleunigungsaufnehmer
14
Beschleunigungsaufnehmer
15
Impulsgeber
16
Exzenterschwerpunkt
17
Rüttlerkreisbahn
18
erste Gerade
19
Kreismittelpunkt
20
zweite Gerade
A, B, C, D, E, F, G, H, I, K
Zeitpunkt
T
Tiefe
V
Ziehgeschwindigkeit
X, Y
Meßachse
t
Zeit
ϕ, ϕmin, ϕmax
Vorlaufwinkel

Claims (10)

  1. Verfahren zur Verbesserung eines Baugrundes unter Ermittlung des Verdichtungsgrades, bei dem ein rohrförmiger Tiefenrüttler (1) vertikal in den Baugrund niedergebracht wird, der mittels einer im Tiefenrüttler (1) um eine Längsachse (2) des Tiefenrüttlers (1) drehend angetriebenen Unwuchtmasse (11) bezogen auf eine horizontale Ebene auf eine Rüttlerkreisbahn (17) beschleunigt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Vorlaufwinkel (ϕ) zwischen der Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers (1) auf der Rüttlerkreisbahn (17) und der Winkelposition der Unwuchtmasse (11) im Tiefenrüttler (1) in einer horizontalen Ebene ermittelt wird, der als Kenngröße zur Bestimmung des Verdichtungsgrades dient, wobei in Abhängigkeit vom Vorlaufwinkel (ϕ) die vom Tiefenrüttler (1) in den Baugrund eingebrachte Verdichtungsleistung gesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Impuls, der mittels eines Impulsgebers (15) bei einer bestimmten Winkelposition der Unwuchtmasse (11) im Tiefenrüttler (1) erzeugt wird, eine Messung der Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers (1) auf der Rüttlerkreisbahn (17) auslöst.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers (1) in der horizontalen Ebene mit zumindest einem Paar von Beschleunigungsaufnehmern (14, 14') ermittelt wird, wobei die Beschleunigungsaufnehmer (14, 14') in einer Meßebene (22) angeordnet sind und die Beschleunigung in zwei vertikalen und senkrecht zueinander angeordneten Ebenen messen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers (1) in der horizontalen Ebene mit einem weiteren Paar von Beschleunigungsaufnehmern (13, 13') ermittelt wird, wobei die Beschleunigungsaufnehmer (13, 13') in einer weiteren Meßebene (21) angeordnet sind und die Beschleunigung in zwei vertikalen und senkrecht zueinander angeordneten Ebenen messen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Tiefenrüttler (1) nach Erreichen einer Endtiefe stufenweise in Rüttelintervallen rüttelnd aus dem Baugrund gezogen wird und daß die Rüttlerintervalle bei Unterschreiten eines vorgegebenen minimalen Vorlaufwinkels (ϕmin) beendet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Tiefenrüttler (1) nach Erreichen einer Endtiefe kontinuierlich und rüttelnd aus dem Baugrund gezogen wird und daß die Geschwindigkeit (V), mit der der Tiefenrüttlers (1) aus dem Baugrund gezogen wird, umgekehrt proportional zum Verlauf des Vorlaufwinkels (ϕ) geregelt wird.
  7. Tiefenrüttler zum Verbessern eines Baugrundes unter Ermittlung des Verdichtungsgrades
    mit einem im wesentlichen rohrförmigen vertikal angeordneten Gehäuse (5),
    mit einer im Gehäuse (5) angeordneten um eine Längsachse (2) des Gehäuses (5) rotierend antreibbaren Unwuchtmasse (11),
    mit Mitteln zum Ermitteln der Winkelposition der Unwuchtmasse (11) im Tiefenrüttler und
    mit zumindest einem Paar von Beschleunigungsaufnehmern (14, 14'), welche in einer Meßebene (22) mit rechtwinklig zueinander liegenden Meßachsen angeordnet sind, mit denen anhand der gemessenen Beschleunigungen die Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers (1) auf der Rüttlerkreisbahn (17) ermittelt werden kann.
  8. Tiefenrüttler nach Anspruch 7,
    gekennzeichnet durch
    ein weiteres Paar von Beschleunigungsaufnehmern (13, 13'), welche in einer weiteren Meßebene (21) mit rechtwinklig zueinander liegenden Meßachsen angeordnet sind, mit denen anhand der gemessenen Beschleunigungen die Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers (1) auf der Rüttlerkreisbahn (17) ermittelt werden kann.
  9. Tiefenrüttler nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    gekennzeichnet durch
    einen Impulsgeber (15), der bei einer bestimmten Winkelposition der Unwuchtmasse (11) eine Messung durch die Beschleunigungsaufnehmer (13, 13', 14, 14') auslöst.
  10. Tiefenrüttler nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    gekennzeichnet durch
    eine Auswert- und Regeleinheit, mit der in Abhängigkeit von einem Vorlaufwinkel (ϕ) zwischen der Winkelposition der Auslenkung des Tiefenrüttlers (1) auf der Rüttlerkreisbahn (17) und der Winkelposition der Unwuchtmasse (11) im Tiefenrüttler in einer horizontalen Ebene die vom Tiefenrüttler (1) in den Baugrund eingebrachte Verdichtungsleistung regelbar ist.
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