DE10006973C2 - Rüttelverdränger-Schnecke - Google Patents

Description

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zum Herstellen von Verdrängungspfählen im Grundbau.

Das Besondere an Verdrängungspfählen ist, dass sie zunächst weiche und leicht verdrängbare Böden durchörtern, um anschließend zumindest einige Meter in einen tragfähigen Baugrund einzubinden. Die DE 42 28 580 C1 beschreibt einen solchen Ver­ drängungsbohrer, an dessen Rohrende eine besondere Schnecke mit großem See­ lenrohr angebracht ist. Ist nun der Gründungsboden relativ dicht gelagert, so bedarf es großer und starker Drehbohrgeräte, um diese Verdrängungsbohrer ausreichend tief in den gründungsfähigen Horizont eindrehen zu können. In der EP 0693158 B1 ist ein besonderer Bohrkopf für Verdrängungspfähle beschrieben, um das Eindringen in den tragfähigen Horizont auch mit geringeren Anpressdrücken und Drehmomenten zu erreichen. Dieser Bohrkopf ist jedoch sehr aufwendig gestaltet, teuer und unter­ liegt sehr starken Verschleißerscheinungen.

Die EP 0575922 B1 versucht das Eindringen in den tragfähigen Bereich durch die be­ sondere Gestaltung des Verdrängerkopfes zu erleichtern. Aber auch bei dieser Aus­ führung sind hohe Anpresskräfte und Drehmomente notwendig. In der DE 196 51 586 A1 wird zur Reduzierung der Eindringkräfte eine Variante gewählt, bei der am Ende des Verdrängungsrohres ein Stück Schnecke mit kleinerem Seelenrohr angeordnet ist. Durch diese Konstruktion ist ein Eindringen des Bohrwerkzeuges in den tragfähigen Baugrund zwar unter geringerem Kraftaufwand möglich, da der Schneckenanfänger den Boden fördert und im Wesentlichen nicht verdrängt. Auf diese Weise sind im Gründungsbereich nur geringe Kräfte zu übertragen, was den Nachteil hat, dass die Einbindelängen im tragfähigen Bereich größer werden müssen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat nun die Aufgabe, auf wirtschaftliche Weise, das heißt unter Einsatz von verhältnismäßig kleinen Bohrgeräten Verdrängungs­ pfähle herstellen zu können, welche unter minimalem Anpressdruck und minimalem Drehmoment schnell in die tragfähigen Schichten einbinden können.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst. Die Beschreibung erfolgt anhand von Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung. Ein Bohrrohr 1 wird mit Hilfe eines Drehantriebs 11, welcher am Mast eines Bohrgerätes befestigt ist, in den Baugrund eingedreht. Das Bohrrohr 1 ist dabei in seinem unteren Teil 2 durch ein besonders ausgestaltetes Gelenk 5 abgetrennt. Das untere Teil 2 schließt mit einem Bohrkopf 9 ab. Im Inneren des unteren Teils 2 befindet sich ein durchgehendes Betonierrohr 4, welches im Bereich des Bohrkopfes 9 eine Aus­ trittsöffnung 10 besitzt und ein Schwingungserzeuger 3, welcher aufgrund eines ro­ tierenden Exzentergewichtes 7 im Wesentlichen quer zur Bohrrichtung verlaufende Schwingungen erzeugt. Dazu wird die um eine Achse 6 drehbare Unwucht 7 über einen Motor 17 in Rotation gebracht.

Um das Eindringen des Bohrwerkzeuges in festere Bodenschichten zu erleichtern kann es zweckmäßig sein, am Bohrrohr 1 Wendeln mit geringer Wendelhöhe anzu­ ordnen.

Ein Betonierrohr 4 wird aus dem unteren Teil 2 der Bohrvorrichtung durch den Drehantrieb ans Erdobere geführt und endet dort in einem Betonierkrümmer 14. Die­ ser Betonierkrümmer 14 ist im oberen Bereich zweckmäßigerweise drehbar gelagert.

Bevorzugterweise im unteren Teil der Bohrvorrichtung wird im Betonierrohr 4 ein Betondruckaufnehmer 15 angeordnet. Die Messergebnisse des Betondruckaufneh­ mers werden über Leitungen 16 und einen Schleifringkörper 13 an die Erdoberfläche gebracht. Eine andere Methode wäre, diese Messdaten über eine Funkstrecke oder Schall- bzw. Druckwellen nach oben zu bringen. Da der Antrieb für den Schwin­ gungserzeuger 3 bevorzugterweise ein Hydraulikmotor 17 ist, werden die Ölzuleitun­ gen 18 durch eine hydraulische Drehdurchführung 12 an das Bohrrohrende geführt. Wird der Schwingungserzeuger 3 mit einem Elektromotor angetrieben, so wird zum Übertragen von Strom ein Schleifringkörper anstelle der hydraulischen Drehdurch­ führung 12 verwendet.

Die Herstellung von Verdrängungspfählen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt so, dass zunächst das Bohrrohr 1 durch die weichen verdrängbaren Boden­ schichten in den Boden eingedreht wird, bis die Spitze 2 des Bohrrohres in den Gründungsbereich kommt. Spätestens hier wird der Schwingungserzeuger 3 in der Spitze eingeschaltet und dadurch wird die Spitze des Bohrrohres 1 in Schwingungen angeregt. Damit sich diese Schwingungen in den unteren Bereich 2 konzentrieren ist der untere Teil der Verrohrung 1 durch ein elastisches Gelenk 5 abgetrennt. Dieses elastische Gelenk ist so ausgebildet, dass sowohl ein Drehmoment, eine Anpress­ kraft und auch Zugkraft auf das untere Teil 2 der Bohrvorrichtung ausgeübt werden können. Des Weiteren ist zweckmäßig, dass das Gelenk 5 eine Auslenkung des un­ teren Teils 2 um einige Grad gegenüber der Bohrachse im oberen Teil des Bohrroh­ res 1 ermöglicht. Das heißt, es wird ermöglicht, dass der untere Teil 2 taumelnde Bewegungen ausführen kann.

Durch die im Wesentlichen parallel zur Bohrachse liegende Drehachse 6 im Schwin­ gungserzeuger 3 werden durch eine oder mehrere Unwuchten 7 Schwingungen er­ zeugt, deren Amplituden bzw. Schwingbeschleunigungen und Schwinggeschwindig­ keiten im Wesentlichen senkrecht zur Bohrachse verlaufen. Dadurch, dass der Schwingungserzeuger 3 im Wesentlichen unverschieblich mit dem unteren Teil 2 der Bohrvorrichtung verbunden ist, werden die horizontalen Schwingungen im unteren Teil der Bohrvorrichtung ins Erdreich weiter gegeben. Dadurch wird der umgebende Boden besonders im unteren Bereich 2 durch die eingeleiteten Schwingungen ver­ dichtet und nach außen verdrängt.

Der Vorteil der Vorrichtung liegt dabei darin, dass der Boden im Gründungsbereich im Wesentlichen nicht gefördert sondern verdrängt und verdichtet wird. Durch die Kombination aus Drehbewegung ("Bohren") und Schwingbewegung ("Rütteln") wird der Boden um die erfindungsgemäße Vorrichtung (Rüttelverdränger-Schnecke) so weit angeregt, dass der für die Verdrängung erforderliche Umlagerungsvorgang im umgebenden Erdreich erleichtert wird. Dadurch können Verdrängerpfähle mit kleine­ ren Bohrgeräten und damit wirtschaftlicher hergestellt werden.

Durch diese Verdichtung ist es möglich, auf verhältnismäßig kurzen Einbindelängen größere Mantelreibungskräfte und Spitzendruckkräfte in den Baugrund abzutragen als es möglich wäre, wenn man den Boden im Bereich der Einbindung nur ausboh­ ren würde, wie dies beispielsweise bei der DE 196 51 586 A1 der Fall ist.

Die bevorzugten Drehzahlen des Schwingungserzeugers 3 liegen zwischen 1.000 und 3.000 Umdrehungen pro Minute. Die bevorzugten Schwingungsamplituden vari­ ieren dabei zwischen 1 mm und 20 mm.

Um den Verdichtungserfolg zu optimieren kann es zweckmäßig sein, dass sowohl das Gewicht der Unwucht 7 als auch die Drehzahl des Motors 17 während des Ver­ fahrens verstellbar sind. Dazu sind Unwuchten bekannt, welche erst während des Drehens ausgefahren werden können. Die Variation in der Drehgeschwindigkeit wird bevorzugterweise mit hydraulischen Antriebsmotoren 17 erreicht.

Bevorzugterweise sind auf der Mantelfläche der Verrohrung 1 sowohl im unteren Be­ reich 2 als auch im oberen Bereich der Vorrichtung Schneckenwendel 8 angeordnet. Die Wendelhöhe ist dabei gering gewählt, das heißt im Bereich weniger Zentimeter. Grund dafür ist, dass während des Drehens nicht zu viel Boden gefördert wird, was zu Auflockerungen führen kann. Eine geringe Förderung ist jedoch dem Bohrfort­ schritt dienlich. Der äußere Umfang dieser Wendelflächen 8 ist abgestimmt auf den Bohrkopf 9, welcher ebenfalls mit Wendeln versehen ist. Dabei kann es zweckmäßig sein, diesen Bohrkopf 9 mit zweiflügligen diametral angeordneten wendelartigen Flü­ geln zu versehen, um ein geradliniges Eindringen der Bohrvorrichtung in den Boden zu erreichen. Des Weiteren ist die zentrische Anordnung von Piloten 19 zweckmäßig, um einen möglichst geradlinigen Verlauf der Bohrung zu erhalten.

Die Anordnung dieser Wendel 8 ist auch deshalb zweckmäßig, da im oberen Bereich des eigentlich verdrängbaren Bodens erfahrungsgemäß harte Deckschichten, Find­ linge oder Auffüllungen vorhanden sind. Diese harten Einlagerungen erweisen sich bei reinen Rüttelverdrängungsgeräten als so nachteilig, dass in einem extra Arbeits­ gang vorgebohrt werden muss. Dies ist teuer und zeitraubend. Dies trifft besonders für Verdrängungspfähle zu, die nach dem Rüttelortbetonverfahren hergestellt werden oder für Gründungselemente, die nach dem Rütteldruckverfahren oder Rüttelstopfverfahren aus Schotter bzw. zusätzlicher Zugabe von Bindemitteln hergestellt wer­ den.

Der Vorteil der Herstellung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt infolgedes­ sen darin, dass die Verdrängungspfähle schnell und in einem Arbeitsgang hergestellt werden können. Die gelenkartige Verbindung 5 ist deshalb zweckmäßig um zu ver­ hindern, dass die Schwingungen aus dem unteren Bereich 2 in das obere Bohrrohr 1 und somit in die verdrängbaren Bodenbereiche geleitet werden. Das Gelenk be­ grenzt die Schwingungen auf den unteren Bohrrohrteil, d. h. den Verdrängungsbe­ reich und bewirkt die Erhöhung der Schwingweite (Amplitude) des Bohranfängers.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass man unmit­ telbar nach Erreichen der Endtiefe beim Zurückziehen sofort über das Betonierrohr 4 Beton oder sonstige selbsterhärtende Bindemittel in den hergestellten Hohlraum einfüllen kann. Dazu befinden sich im unteren Bereich der Bohrvorrichtung eine oder mehrere Austrittsöffnungen 10 für den Beton oder das Bindemittel. Bevorzugterweise sind diese Austrittsöffnungen im Schutze der Schneckenwendeln angeordnet. Eine weitere Betoniermöglichkeit besteht auch darin, dass diese Betonieröffnung im Zen­ trum der Bohrvorrichtung, das heißt im Bereich der Bohrachse angeordnet ist und der Austritt des Betons im Zentrum der Bohrvorrichtung und nach unten erfolgt. Um während des Bohrvorganges ein Eindringen des Bodens in das Betonierrohr 4 zu verhindern, sind unterschiedliche Verschlussvorrichtungen nach dem Stand der Technik zu verwenden.

Um sicherzustellen, dass die Verfüllung der Bohrung mit dem Beton oder dem er­ härtenden Bindemittel vollständig erfolgt, ist es zweckmäßig, in das Betonierrohr 4 einen Betonierdruckaufnehmer 15 zu integrieren. Zweckmäßigerweise ist dieser Druckaufnehmer möglichst weit unten und möglichst in der Nähe der Austrittsöffnung anzuordnen. Die Mess-Signale des Druckaufnehmers 15 werden über Kabel 16 zu einem Schleifringkörper 13 geleitet und von diesem Schleifringkörper 13 aus können die Daten ins Führerhaus übertragen bzw. gespeichert werden. Das Zurückziehen der Vorrichtung wird entsprechend der Druckanzeige durchgeführt, und zwar in der Regel so, dass während des gesamten Zurückziehens ein gewisser Druck vorhan­ den sein muss. Nur so ist sichergestellt, dass der gesamte Hohlraum verfüllt wird.

Der Antrieb des Schwingungserzeugers 3 erfolgt bevorzugterweise durch einen Hy­ draulikmotor 17. Die Ölzuführung erfolgt über entsprechende Hydraulikleitungen 18, welche in einer hydraulischen Drehdurchführung 12 einmünden. Auf diese Weise ist es möglich, dass auch während des Drehens des Bohrrohres 1 der Antriebsmotor 17 versorgt werden kann. Wird für den Antrieb des Schwingungserzeugers ein Elektro­ motor verwendet, so erfolgt die Versorgung mit elektrischem Strom über eine Art Schleifringkörper.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind

• - Reduzierung der Drehmomente und Anpresskräfte beim Herstellen von Verdrän­ gerpfählen mit der Folge, dass kleinere und kostengünstigere Geräte zum Einsatz kommen
• - leichtere Durchörterung von Deckschichten, Findlingen, Auffüllungen und sonsti­ gen härteren Bereichen, die im eigentlichen Verdrängungsboden auftreten kön­ nen
• - Verbesserung des Bodenhorizontes in dem die Verdrängungspfähle ihre Lasten abtragen, und zwar durch Überführung des Bodens in der Krafteintragungsstre­ cke zu einer höheren Lagerungsdichte und somit einem besseren Tragverhalten
• - besser einzuhaltende Vertikalität von Verdrängerpfählen durch die Kombination von Rüttelverfahren und Drehbohrverfahren
• - Beschleunigung des Herstellverfahrens für Verdrängungspfähle
• - Erhöhung der Tragkraft von Verdrängungspfählen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Bohrpfählen nach dem Verdrängungs- Drehbohrverfahren mit einem drehbaren Bohrrohr, einem eingebauten Schwin­ gungserzeuger und einem Betonierrohr dadurch gekennzeichnet,
dass am erdseitigen Ende (2) eines drehbaren Bohrrohres (1) im Inneren ein Schwingungserzeuger (3) angeordnet ist
und dass der untere Teil (2) des drehbaren Bohrrohres (1) über ein elastisch aus­ gebildetes Gelenk (5) befestigt ist, welches einen Auslenkwinkel zur Bohrachse ermöglicht und Zug, Druck und insbesonders Drehmomente übertragen kann und die unerwünschte Übertragung von Schwingungen in den oberen Bereich des Bohrrohres verhindert
und dass das Bohrrohr (1) über einen luftseitig am Trägergerät befestigten Dreh­ antrieb (11), der auf und ab bewegt werden kann, gedreht werden kann
und dass die Zuleitung (18) für den Antriebsmotor (17) des Schwingungserzeu­ gers (3) bei flüssigen oder gasförmigen Antriebsmedien über eine luftseitig am Bohrrohr (1) angeordnete, hydraulische Drehdurchführung (12) erfolgt oder bei elektrischem Antrieb über eine schleifringartige Drehvorrichtung erfolgt
und dass im Inneren des Bohrrohres (1) sich über die gesamte Länge der Vor­ richtung ein Betonierrohr (4) befindet, welches an der Erdseite mindestens eine Austrittsöffnung (10) besitzt und welches von der Luftseite aus beschickt wird
und dass sich am erdseitigen Ende der Vorrichtung ein Bohrkopf (10) mit Werk­ zeugen zum Auflockern, Lösen oder Fördern des Bodens befindet, wie er beim Drehbohrverfahren zum Einsatz kommt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens teilweise am Bohrrohr (1) schneckenartige Wendeln (8) be­ finden, welche so angeordnet sind, dass Bodenmaterial nach oben gefördert wer­ den kann.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Schneckenwendeln im Bereich von wenigen Zentimetern liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (3) aus einer oder mehreren Unwuchten (7) be­ steht, welche um eine im Wesentlichen parallel zur Bohrachse verlaufenden Drehachse (6) rotieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass sich am erdseitigen Ende der Bohrvorrichtung ein schneckenförmiger Bohr­ kopf (9) befindet, der mit einem Pilot (19) und einer zweiflügli­ gen Schnecke mit Bohrzähnen versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Bohrkopfes im Wesentlichen so groß ist wie das Bohr­ rohr (1) und/oder wie der Durchmesser der Schneckenwendeln (8).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich des Betonierrohres (4) ein Betondruckaufnehmer ange­ ordnet ist, dessen Messdaten über Funk oder Schallwellen oder Messleitungen an die Erdoberfläche gebracht werden, und dass beim Einsatz von Leitungen die Übertragung über Schleifringkörper (13) am Bohrrohr (1) erfolgt.