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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung von weichem
Boden durch Einbringen und Verdichten von trockenem mineralischem
Pulver, das mittels einer drehangetriebenen Stopfwendel in eine Bohrung
im Boden eingestopft wird.
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Durch
Einpressen von trockenem mineralischem Pulver kann weicher Boden
so stabilisiert werden, dass er als tragfähiger Baugrund geeignet ist (
DE 41 25 576 A1 ).
Bei einem bekannten Verfahren der genannten Gattung (
DE 44 17 887 A1 ) wird das zur
Baugrundstabilisierung in den Boden einzubringende trockene mineralische
Pulver durch eine in einem Rohr drehbare Förderwendel zum Rohrende gefördert und
verdichtet, wobei umgebender Boden verdrängt und verdichtet wird.
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Während es
zur Baugrundvorbereitung oftmals ausreicht, insgesamt eine Stabilisierung
und damit eine qualitative Erhöhung
der Tragfähigkeit
des Baugrunds herbeizuführen,
besteht bei der Baugrundsanierung unter Verkehrswegen und Bauwerksfundamenten
sowie in deren Umgebung zusätzlich
der Wunsch, eine gezielte, quantifizierbare und kontrollierbare
Ertüchtigung
des Baugrunds vorzunehmen, um bereits eingetretene Setzungen auszugleichen
oder zu erwartende Setzungen zu vermeiden. Darüber hinaus besteht der Wunsch, die
genannten Maßnahmen
zur Baugrundstabilisierung möglichst
wirtschaftlich einzusetzen, d.h. insbesondere, das Einstopfen von
mineralischem Pulver in Bohrungen nur in dem Maße durchzuführen, wie es zur Erzielung
der gewünschten
Baugrundeigenschaften erforderlich ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten
Gattung so auszugestalten, dass eine planmäßige Beeinflussung der Baugrundeigenschaften
ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Axialkraft der Stopfwendel gemessen und auf einen jeweils
vorgegebenen Wert gesteuert bzw. geregelt wird.
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Die
Erfassung und gezielte Beeinflussung der beim Einstopfen auf die
Stopfwendel ausgeübten Axialkraft
ermöglicht
es in einfacher Weise, mit ausreichender Zuverlässigkeit auf die erzielte Baugrundstabilisierung
Einfluss zu nehmen. Insbesondere wird es damit erstmalig ermöglicht,
das Stopfen so durchzuführen,
dass ein über
dem Baugrund liegendes Planum, ein Fahrweg oder ein Fundament keine
unerwünschten
Lageänderungen
erfährt,
wobei der Baugrund aber gleichwohl in optimaler Weise verdichtet
und verfestigt wird. Die über
die Axialkraftbeeinflussung ermöglichte
Steuerung des Stopfvorgangs macht somit eine Optimierung des Stopfvorgangs
möglich,
indem die höchstmögliche Stabilisierungswirkung
erreicht wird, ohne dabei jedoch unerwünschte Lageänderungen an der Bodenoberfläche zu verursachen.
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Das
Verfahren ermöglicht
außerdem
eine Anpassung des Baugrundsanierungsvorgangs an bereichsweise unterschiedliche
Baugrundbeschaffenheiten. Der Boden kann gezielt in den Bereichen verdichtet
und verfestigt werden, in denen es jeweils erforderlich ist, wobei
vor allem auch der Grad der Verdichtung und/oder die Menge des einzustopfenden
Materials an die jeweiligen örtlichen
Anforderungen angepasst werden kann.
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Es
hat sich gezeigt, dass die Beeinflussung der auf die Stopfwendel
ausgeübten
Axialkraft eine einfache und gut beherrschbare Maßnahme darstellt, um
den Stopfvorgang zu beeinflussen.
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Nach
der Durchführung
des Verfahrens weist der Boden verdichtete Bereiche aus vorher weichem Boden
sowie aus eingepresstem pulverförmigem, bodenartigem
Material auf. Verspannungen infolge des Einstopfens verschwinden
ohne nennenswerte Verschiebungen des darüber angeordneten Planums, Fahrwegs
oder Fundaments rasch. Der so verbesserte Untergrund gibt bei und
nach weiterer Belastung weniger als vorher nach. Dadurch sind erneute
Reparaturen unnötig.
Bei Verkehrswegen wird auch Verkehr mit schnelleren und/oder schwereren Fahrzeugen
ermöglicht.
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Das
Verfahren ermöglicht
einen gezielten und kontrollierten Einsatz. Mit Vorbohrungen und Sondierungen
werden der Stoffbestand und der Stoffzustand des Untergrunds ergänzend erkundet. Auf
dieser Basis werden die erforderliche axiale Stopfkraft sowie die
Anordnung und Menge des Stopfmaterials vorab mit einem bodenmechanischen Rechenmodell
dimensioniert.
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Bei
der Anwendung an und unter Fahrwegen werden die Stopfkräfte und
Stopfmengen sowie die Lage des Fahrwegs kontrolliert. Früher entstandene Mulden
lassen sich durch verstärktes
Einstopfen darunter innerhalb gewisser Grenzen ausgleichen. Das Stopfmaterial
dringt bei der Axialkraftsteuerung von selbst in weichere Bodenbereiche,
wo es nötiger
ist, vermehrt ein. Das Verfahren lässt sich durch die Anordnung
der Bohrungen, insbesondere aber durch die Wahl der Axialkraft der
Stopfwendel an Untergrund anpassen, der von Natur aus und/oder infolge früherer ungenügender Vergütung inhomogen
ist.
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Bei
Anwendung unter bestehenden Fundament ermöglicht das Verfahren durch
Beeinflussung der Axialkraft der Stopfwendel eine das darüber befindliche
Bauwerk schonende Sanierung, was insbesondere unter dem Gesichtspunkt
des Denkmalschutzes sehr bedeutsam ist.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens mit einem Bohr- und Stopfgerät, das an einem Trägergerät eine mittels
eines Drehantriebs antreibbare Stopfwendel aufweist, die mittels
eines Vorschubantriebs axial bewegbar ist und mit einer Einrichtung
zur Zufuhr von mineralischem Pulver zu einem die Stopfwendel enthaltenden
Rohr.
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Ausgehend
von einer solchen Vorrichtung, die aus
DE 44 17 887 A1 bekannt
ist, stellt sich die Aufgabe, diese Vorrichtung mit möglichst
geringem zusätzlichem
Aufwand zur Durchführung
des genannten Verfahrens einzusetzen. Zur Lösung diese Aufgabe ist die
Vorrichtung gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Messung der
Axialkraft der Stopfwendel und eine Einrichtung zur Steuerung bzw.
Regelung des Vorschubantriebs und/oder des Drehantriebs der Stopfwendel.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Trägergerät mittels Bodenankern, vorzugsweise
Schraubankern, im Boden verankert ist. Damit wird erreicht, dass
die auf die Stopfwendel auszuübende
Axialkraft nicht durch das Gewicht des Trägergeräts begrenzt ist, sondern erforderlichenfalls
auch höher
gewählt
werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand
weiterer Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, die
in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
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1 in
vereinfachter Darstellungsweise ein Bohr- und Stopfgerät zur Stabilisierung
von weichem Boden,
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2 in
einer Teildarstellung die Arbeitsweise des Geräts nach 1 beim Herstellen
einer Bohrung,
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3 in
einer Teildarstellung die Arbeitsweise des Geräts nach 1 beim Einstopfen
von mineralischem Pulver in die Bohrung,
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4 den
Einsatz des Geräts
gemäß 1 zur
Stabilisierung von Baugrund unter einem Fundament,
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5 den
Einsatz des Geräts
nach 1 zum Herstellen mehrerer Stopfsäulen, wobei
das Bohr- und Stopfgerät
durch Schraubanker verankert ist und
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6 den
Einsatz eines Bohr- und Stopfgeräts
gemäß 5 zur
Stabilisierung von weichem Boden unter einem Verkehrsdamm.
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Das
in 1 gezeigte Bohr- und Stopfgerät weist ein verfahrbares Trägergerät 1 mit
einer schwenkbar daran angebrachten Lafette (Mäkler) 2 auf. An der
Lafette 2 ist ein Schlitten 3 durch einen Vorschubantrieb
verschiebbar, der eine Lagerung für eine Stopfwendel oder Förderschnecke 4 bildet.
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Ein
am Schlitten 3 angeordneter Kraftdrehkopf 5 weist
einen mit einem Motor 6 verbundenen Drehantrieb 7 auf,
der über
eine Einrichtung 8 zur Kraftregelung mit der Stopfwendel 4 verbunden
ist.
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Die
Stopfwendel 4 befindet sich in einem Rohr 9, das
zusammen mit der Stopfwendel 4 in die im Boden auszuführende Bohrung 10 abgesenkt
wird und an seinem oberen Ende eine trichterartige Öffnung 11 aufweist.
Aus einem Silo 12 wird über
eine Förderleitung 13 beim
Stopfvorgang trockenes mineralisches Pulver in die Öffnung 11 des
Rohres 9 eingebracht. Anstelle des Silos 12 kann
auch eine andere Einrichtung zur Zufuhr von mineralischem Pulver verwendet
werden.
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Die
Axialkraft der Stopfwendel 4 wird über eine Hydraulik aufgebracht
und ebenso wie die Drehzahl und der Vorschub der Stopfwendel 4 konstant auf
vorgegebene Werte geregelt.
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Zum
Herstellen der Bohrung 10 wird die Stopfwendel 4 zunächst als
Förderschnecke
in einer Drehrichtung betrieben, in der sie das Bodenmaterial nach
oben fördert,
wie in 2 dargestellt ist. Das gleichzeitig mit der Stopfwendel 4 niedergebrachte Rohr 9 hält die Bohrung 10 offen.
In sehr weichem Boden kann die beschriebene Bodenförderung
durch die Stopfwendel 4 auch entfallen. Das Rohr 9 und
die Stopfwendel 4 werden dann vollverdrängend in den Boden eingedrückt.
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Nach
Erreichen der Endteufe wird der Stopfwendel 4 aus dem Silo 12 trockenes
mineralisches Pulver zugegeben. Durch gegenläufiges Drehen der Stopfwendel
wird das Material zum Bohrungsende gefördert und dann dort mit definiertem
Einpressdruck in den Boden eingedrückt. Durch die fortgesetzte
Drehbewegung der Stopfwendel während
des Einpressens werden der Boden und das zugegebene Stopfmaterial
geschert und damit wirksam verdichtet.
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Zur
Beeinflussung des Verdichtungsvorgangs und damit der gewünschten
Stabilisierungswirkung wird die Axialkraft der Stopfwendel 4 auf
einen jeweils vorgegebenen Wert gesteuert bzw. geregelt. Dies kann
beispielsweise dadurch geschehen, dass die Vorschubkraft des axialen
Vorschubantriebs der Stopfwendel 4 gesteuert wird. Stattdessen
oder zusätzlich
ist es auch möglich,
hierzu das Antriebsdrehmoment der Stopfwendel 4 zu steuern.
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Der
vorgegebene Wert, auf den die Axialkraft geregelt wird, kann vorzugsweise
auf Grund eines bodenmechanischen Rechenmodells gewählt werden,
in das Eigenschaften und Zustand des Baugrunds und die erwünschte Verdichtung
oder Lageveränderung
eingehen. Im Zuge der Ausführung
werden sowohl der Vorgabewert als auch das zugrunde liegende Rechenmodell
nach den Regeln der Beobachtungsmethode angepasst. Hierzu werden
während
des Stopfens die unmittelbar hierdurch verursachten Lageveränderungen
des Planums, eines Baukörpers
oder einer Verkehrsfläche
im Stopfbereich beobachtet. Weiter ist es hierzu möglich, den vorgegebenen
Wert der Axialkraft auf Grund von Lageänderungen von Verkehrsflächen anzupassen,
die beim Überfahren
eines Stopfbereichs mit definierten Fahrzeugen nach dem Stopfen
oder vergleichend vor und nach dem Stopfen gemessen werden. Hierdurch wird
zugleich der Stopferfolg kontrolliert.
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Die
Einrichtung zur Messung der Axialkraft kann beispielsweise ein im
Bereich der Einrichtung 8 zur Kraftregelung und somit zwischen
der Stopfwendel 4 und dem Trägergerät 1 wirkender Kraftaufnehmer
sein. Stattdessen kann auch eine andere, die Vorschubkraft des Vorschubantriebs
oder das Antriebsdrehmoment des Drehantriebs 7 ermittelnde Einrichtung
verwendet werden.
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Das
Einfahren der Stopfwendel 4 und das anschließende Stopfen
von trockenem mineralischem Pulver als Zugabematerial kann senkrecht nach
unten (5) oder schräg
in einen Damm 14 (6) oder
in eine Böschung hinein
erfolgen. Beim Einsatz unter bestehenden Fundamenten 14a (4)
kann nur von den Seiten aus gearbeitet werden.
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Damit
die Axialkraft der Stopfwendel 4 und damit die mögliche Stopfkraft
nicht durch das Eigengewicht des Trägergeräts 1 begrenzt bleibt,
kann das Trägergerät 1 mittels
Bodenankern 15, beispielsweise zwei bis vier ausreichend
dimensionierten Schraubankern, im Boden verankert werden. Die als Schraubanker
ausgeführten
Bodenanker 15 können mit
dem selben Kraftdrehkopf 5 eingedreht und nach dem Stopfen
wieder herausgedreht werden, mit dem auch die Stopfwendel 4 betrieben
wird.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Bodenanker 15 mindestens angenähert parallel
zur Längsachse
der Stopfwendel 4. Damit ist die Richtung der resultierenden
Zugkraft der Bodenanker 15 angenähert gleich der Stopfrichtung,
wie dies am Beispiel des schrägen
Stopfens in 6 gezeigt ist. Schräge Bodenanker 15 können gemäß 5 auch
so angeordnet werden, dass ihre resultierende Ankerkraft in Stopfrichtung
verläuft.
Die Bodenanker 15 können entfallen,
wenn das Eigengewicht des verwendeten Trägergeräts ausreicht oder wenn eine
Abstützung gegen
vorhandene Geländesprünge oder
Bauwerksteile möglich
ist.
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Der
Erfolg des angewandten Verfahrens wird vor allem über Lageänderungen
des Planungs-, Fahrwegs oder Fundaments zeitnah kontrolliert. Bei und
gleich nach dem Stopfen muss die Lage in einem engen Toleranzbereich
bleiben. Insbesondere bei Verkehrswegen kann man durch Überfahrten
mit wohl definierten repräsentativen
Fahrzeugen feststellen, ob die elastische Nachgiebigkeit des Untergrunds
im geforderten Ausmaß abgenommen
hat. Schon nach wenigen derartigen Überfahrten zeigt sich, ob der
Boden, wie gefordert, keine akkumulierten bleibenden Lageänderungen
mehr entwickelt. Bei nicht ausreichendem Erfolg wird nachgestopft. Die
Lage der Stopfstellen ergibt sich, wie schon zu Beginn der Stabilisierung,
aus dem beobachteten Verhalten bei Überfahrten sowie aus dem erkundeten Stoffbestand
und Stoffzustand.
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Durch
die Verdichtung und damit Verbesserung von kompressiblem und wenig
tragfähigem Baugrund
werden Setzungen unter statischen oder dynamischen Lasten auf Dauer
innerhalb zulässiger Grenzen
gehalten. Das Verfahren ist daher insbesondere geeignet für Verkehrswege,
insbesondere Straßen
und Bahntrassen, sowie Dämme
für solche
Verkehrswege auf zu weichem Untergrund, die bei und nach Überfahrten
zu sehr nachgeben. Die Verringerung dieser Nachgiebigkeit und/oder
eine Ertüchtigung
für schnelleren
und/oder schwereren Verkehr kann sogar ohne Unterbrechung des Fahrbetriebs
erfolgen.
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Das
Verfahren ist außerdem
besonders geeignet zur Anwendung in der Fundamentumgebung bestehender,
häufig
historischer Bauwerke, die infolge kompressibler Bodenschichtungen
Setzungsschäden
erleiden. Das Verfahren ist jedoch nicht auf die geschilderten Anwendungsfälle beschränkt.
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Beim
Stopfen nimmt das Porenvolumen des weichen Bodens weitgehend unverzögert ab,
denn dieser reißt
kurzfristig auf und gibt daher Porenwasser rascher ab als bei der
Konsolidierung eines ungestörten
Schichtpakets. Bei kontrolliert eingestellter und konstant gehaltener Axialkraft
der Stopfwendel verdichtet sich der Boden umso mehr, je weicher
er zunächst
ist.