DE19928692C1 - Online-Verdichtungskontrolle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, mit dem bei der Bodenverdichtung durch Tiefenrüttler bereits während der Herstellung auf die erreichte Lagerungsdichte geschlossen werden kann.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, bei dem während der Durchführung einer Bodenverbesserung mit Hilfe von Tiefenrüttlern bereits während der Herstellung auf die erreichte Lagerungsdichte geschlossen werden kann.

Gerade bei großflächigen Gründungen ist es von höchster Bedeutung, daß sich bei dem Bauwerk die Setzungen gleichmäßig einstellen. Rollige, locker gelagerte Böden werden deshalb zweckmäßigerweise vorher mit Tiefenrüttlern verdichtet. Der Tiefen­ rüttler ist in der Regel eine kreiszylinderförmige Vorrichtung, in der eine Unwucht rotiert.

Mit diesen Tiefenrüttlern wird entweder der Boden punktweise verdichtet, und der Boden setzt sich dabei, oder es wird während des Rüttelvorgangs an den einzelnen Punkten Kies oder Schotter dem Erdreich zugesetzt, um einzelne Schotter- bzw. Bodensäulen zu erhalten, welche höher verdichtet sind und somit höhere Lasten bei kleinerer Setzung in den Boden abtragen können.

Am Ende der Bodenverdichtungsmaßnahme muß die Verbesserung der Lagerungs­ dichte nachgewiesen werden. Dies erfolgt in der Regel dadurch, daß in dem ver­ besserten Bodenbereich zahlreiche Sondierungen durchgeführt werden. Über die Meßwerte dieser genormten Sondiersonden wird näherungsweise auf die Lagerungs­ dichte geschlossen.

Ergeben die Sondierungen, daß der Boden noch nicht ausreichend verdichtet ist, so werden erneut Verdichtungen mit dem Tiefenrüttler ausgeführt. Dies kann mit hohen nicht kalkulierten Folgekosten verbunden sein.

Aus diesem Grund hat man sich schon seit längerer Zeit Gedanken gemacht, wie man durch unmittelbare Messung der Herstellparameter auf die erreichte Verbesserung des Bodens schließen kann.

Der Antrieb der Tiefenrüttler erfolgt entweder mit einem Elektromotor oder über einen Ölmotor. So wird bereits seit Jahren während des Rüttelns die aufgenommene Strom­ stärke bzw. der Öldruck über die eingerüttelte Tiefe aufgezeichnet. Des weiteren wird auch die Gesamtenergie, die in den Boden eingetragen wird, ermittelt.

Trotz tausender Messungen konnte bisher kein eindeutiger Zusammenhang aus diesen Meßwerten und dem erreichten Verdichtungsgrad im umgebenden Boden hergestellt werden.

Vereinzelt werden direkt am Rüttler Schwingungsaufnehmer befestigt und die aufge­ tretenen Schwingungen tiefenabhängig registriert. Auch bei diesem Verfahren konnte bisher kein eindeutiger Schluß auf die erreichte Lagerungsdichte des Bodens gezogen werden.

Die DE 196 28 769 beschreibt ein Verfahren, bei dem Geophone bzw. Schwingungsauf­ nehmer an der Geländeoberfläche bzw. im Boden, der den Rüttler umgibt, angeordnet werden. Durch die naturbedingten Inhomogenitäten im Baugrund lassen sich jedoch bei zunehmender Eindringtiefe keine eindeutigen Rückschlüsse auf die erreichte Lagerungsdichte in unmittelbarer Nähe des Tiefenrüttlers ziehen.

Des weiteren werden seit vielen Jahren an unterschiedlichen Stellen der Tiefenrüttler Sensoren oder Schwingungsaufnehmer befestigt. Trotz intensiver Versuchsprogram­ me, welche auch der Anmelder durchgeführt hat, konnten bei den Schwingungs­ messungen keine eindeutigen Rückschlüsse auf die erreichte Lagerungsdichte erzielt werden.

Durch die Anordnung von Schwingungsaufnehmern direkt am Rüttler bzw. an der Rüttlerspitze konnten zwar bisher erfolgreich Amplituden gemessen werden, aber dies führt im wesentlichen nicht dazu, die Lagerungsdichte bestimmen zu können, sondern die Messung der Amplituden führte dazu, die Leistung der Tiefenrüttler zu optimieren. Ziel und Ergebnis war, den richtigen Rüttler im richtigen Boden zu finden.

Das heißt, man erhielt aus den Ergebnissen der Schwingungsmessungen Rüttler, welche in unterschiedlichen Böden den maximalen Leistungseintrag erreichten. Aus diesen Ergebnissen ließ sich jedoch nicht schließen, wie oft und wie lange man einen Rüttelpunkt bearbeiten muß, um die optimale Verdichtung des umgebenden Bodens zu erreichen.

Die Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zu finden, wie man aus unterschiedlichen Meßwerten von Sensoren in möglichst direkter Weise auf die Lagerungsdichte des umgebenden Bodens sowie die Veränderung dieser Lagerungsdichte während des Rüttelns schließen kann.

Die Erfindung löst die Aufgabe entsprechend dem Wortlaut des Anspruchs 1 und folgenden.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein vereinfachter horizontaler System-Schnitt durch den Tiefenrüttler dargestellt. Die im wesentlichen kreiszylinderförmigen Tiefenrüttler werden durch einen Rüttelmantel 2 umhüllt. Um die Rüttlerachse M rotiert ein Unwuchtgewicht U im Inneren des Rüttlers.

In Fig. 2 ist ein horizontaler Schnitt durch einen sich im Rüttelvorgang befindlichen Rüttler dargestellt. Dabei bewegt sich die Achse des Rüttlers M infolge der Fliehkräfte ungefähr auf einer Kreisbahn K. Das heißt, der Mittelpunkt M nimmt unterschiedliche Lagen M' auf der Kreisbahn K ein.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen Tiefenrüttler dargestellt. Die Tiefenrüttlereinheit besteht aus dem Tiefenrüttler 3, in dem sich die rotierende Unwucht befindet, und dieser Tiefenrüttler 3 ist über mindestens ein Gelenk 4 mit einem oder mehreren Aufsatzrohren 5 verbunden, die bis an die Erdoberfläche hochreichen.

Die Rüttlerachse 6 ist der Ort, auf dem sich der Punkt M bei ruhendem Rüttler befin­ det. Rechts von dem systematisch dargestellten Tiefenrüttler ist der Verkippungs­ winkel α dargestellt, der sich während des Rüttelns im Erdreich einstellt. Die im wesentlichen horizontal auftretende Auslenkung der Rüttlerspitze 7 hat die Größe A. Die im wesentlichen horizontale Auslenkung des Rüttlers im Bereich des Gelenkes 4 hat den Betrag A' und ist auch durch die Ausbildung und Größe des Gelenkes 4 beeinflußt.

In Fig. 4 ist ein horizontaler Schnitt im unteren Teil der Rüttlerspitze 3 während des Rüttelvorgangs ins Erdreich dargestellt. Durch die Bewegung der Unwucht U, welche um den Mittelpunkt M dreht, führt der Rüttelmantel 2 eine taumelnde Bewegung aus. Der Mittelpunkt M der Rüttlerspitze bewegt sich näherungsweise kreisförmig im Abstand A um die ursprüngliche Ruheachse O. Durch die Tatsache, daß die Rüttler­ spitze im Boden nicht reibungsfrei schwingen kann, sondern infolge des anstehenden Bodens einem System aus Federn und Dämpfungselementen ausgesetzt ist, stellt sich zusätzlich zum Verkippungswinkel α in vertikaler Richtung ein Phasenwinkel ϕ zwischen der Unwucht und der Auslenkung des Rüttelmantels ein. Dieser Phasenwin­ kel ϕ steht im unmittelbaren Zusammenhang mit der Federsteifigkeit und der Dämp­ fung des Rüttler-Boden-Systems.

Die Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur online-Verdichtungskontrolle während des Rüttelvorgangs basiert darauf, daß sich bei einem vorgegebenen Boden- Rüttler-Schwingungssystem ein direkter Zusammenhang ergibt aus der Lagerungs­ dichte des Bodens mit seiner Porenzahl und den Kennwerten für die Dämpfung c und der Federsteifigkeit k. Kennt man den Verkippungswinkel α der Rüttlerspitze 3 und wenigstens eine horizontale Auslenkung A im Bereich zwischen unterer Rüttlerspitze 7 und Rüttlergelenk 4, und kennt man den Phasenwinkel ϕ zwischen der Unwucht und der Auslenkung des Rüttlermantels, so ist es möglich, mit Hilfe von Dämpfung und Federsteifigkeit die Porenzahl zu berechnen und in der Folge die Lagerungsdichte.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht nun darauf, daß während des Rüttelvorgan­ ges durch ständige Messung des Verkippungswinkels α der im wesentlichen horizon­ talen Auslenkung A der Rüttlerspitze und dem sich einstellenden Phasenwinkel ϕ, die Lagerungsdichte ermittelt wird, und diese ständig mit den angestrebten Werten für die Lagerungsdichte verglichen wird.

Durch eine ständige Sollwert- und Istwert-Ermittlung wird der Rüttelvorgang genau so lange durchgeführt, bis die angestrebten Werte der Lagerungsdichte erreicht sind. Diese ständige Kontrolle führt dazu, daß nicht aus Unwissenheit zu lange Rüttelzeiten durchgeführt werden. Ebenso vermindert sich durch dieses erfindungsgemäße Vorge­ hen das Risiko, daß nach Beendigung des ersten Verdichtungsdurchganges noch einmal nachgerüttelt werden muß. Auf diese Weise führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.

Die erforderlichen Meßwerte können mit unterschiedlichen in und an der Rüttlerspitze 3 angebrachten Sensoren erfolgen. Die Sensoren können elektronische Winkel­ messer oder Beschleunigungsaufnehmer sein. Je nach Konstruktion der Aufhängung bzw. je nach Ausbildung der Rüttelgelenke 4 kann es zweckmäßig sein, die Aus­ lenkungen A der Rüttlerspitze an einer oder mehreren Stellen der Rüttlerspitze zu messen. Der Verkippungswinkel α kann entweder gesondert oder mit Hilfe von zwei Meßpunkten der Auslenkung A erfolgen, die sich bevorzugterweise zwischen unterer Rüttlerspitze 7 und Rüttlergelenk 4 befinden.

Durch die ständige Kontrolle der erreichten Lagerungsdichte mit der angestrebten Lagerungsdichte wird es möglich und zweckmäßig, beim Rüttelvorgang die Frequenz des Rüttlers aus Optimierungs- und Beschleunigungsgründen zu verändern. Durch die erfindungsgemäße Messung der Parameter A, ϕ, und α ist es möglich, schnellst­ möglich den Einfluß der Rüttelfrequenz auf die Verdichtungswirkung zu erhalten.

Des weiteren können die Spülwassermenge und der Spülwasserdruck durch die ständige Kontrolle des Verdichtungsgrades optimal gesteuert und angepaßt werden.

Werden als Sensoren Schwingungsaufnehmer verwendet, so ist es zweckmäßig, daß eine Oberwellenanalyse stattzufinden hat (Fast-Fourier).

Claims (6)

1. Verfahren zur online-Verdichtungskontrolle eines Bodens beim Einsatz eines Tiefenrüttlers, dadurch gekennzeichnet,
daß zur gemessenen Eindringtiefe T des Tiefenrüttlers (3) der Verkippungswinkel (α) zur vertikalen Nullachse (6), und der Vorlaufwinkel (ϕ) der Unwucht (U) gegenüber dem Rüttlermantel (2) und mindestens eine horizontale Auslenkung (A, A', A") zwischen der Rüttlerspitze (7) und des Rüttlergelenks (4) über einen oder mehrere Sensoren, die an oder in der Rüttlerspitze (3) befestigt sind, direkt oder indirekt erfaßt wird,
und daß daraus bodendynamische Kennwerte des Systems Rüttler-Boden wie Dämpfung c und Federsteifigkeit k berechnet werden, und damit die momentane Lagerungsdichte des umgebenden Bodens ermittelt wird,
und daß dieser Wert ständig mit einem vorgegebenen Zielwert für die Lagerungs­ dichte des Bodens verglichen wird,
und daß der Rüttelvorgang so lange weitergeführt wird, bis der Zielwert der Lagerungsdichte des Bodens erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die neuen Messungen nach Anspruch 1 auch im Zusammenspiel mit den herkömmlichen Messungen der Leistungsaufnahme (Stromstärke, Öldruck) und der verbrauchten Energie zur Verdichtungskontrolle dienen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß während des Rüttelvorganges am gleichen Verdichtungspunkt die Rüttler­ frequenz verändert wird, um eine Optimierung der Verdichtungswirkung hinsicht­ lich Zeit, Qualität und Reichweite zu erreichen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Meßwerte die Spülwassermenge und/oder der Spülwasserdruck und/oder die Zugabe von Schüttmaterial geregelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse der Meßwerte durch eine Oberwellenanalyse (Fast-Fourier) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren an der Rüttlerspitze (3) Beschleunigungsaufnehmer und/oder Winkelaufnehmer und/oder Kompasse und/oder Wegaufnehmer sind.