DE10146342B4

DE10146342B4 - Method for determining the storage density

Info

Publication number: DE10146342B4
Application number: DE10146342A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. Wehr
Original assignee: Keller Grundbau GmbH
Current assignee: Keller Grundbau GmbH
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: EP1295994B1; ATE361396T1; EP1295994A3; DE50210060D1; EP1295994A2; DE10146342A1

Abstract

The sub-surface vibrator (13), suspended on a rod (11), has an unbalanced weight (15) rotating about a vertical axis. With a supply of water and/or air if appropriate, it is vibrated into the ground. It is drawn up in a series of stages. It is held vibrating in individual strata. Compaction is calculated from the vibration amplitude, taking into account stress-dependent ground parameters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Lagerungsdichte des Bodens während der Bodenverbesserung mittels Rütteldruckverdichtung unter Einsatz einer Rechner- bzw. Prozessoreinheit. Hierbei wird ein Tiefenrüttler mit einer um eine vertikale Achse rotierenden Unwucht an einem Gestänge hängend, gegebenenfalls unter Zuführung von Wasser und/oder Luft, in den Boden eingerüttelt und in Höhenschritten meist vorgegebener Größe gezogen und in Rüttelintervallen in einzelnen Tiefenlagen rüttelnd gehalten. Der Rüttler führt hierbei taumelnde Bewegungen um einen Bewegungsnullpunkt aus, der nahe seiner elastischen Aufhängung am Gestänge liegt, während die Rüttlerspitze eine Kreisbahn mit maximaler Amplitude ausführt. Dieses Bodenverbesserungsverfahren wird in einem je nach Anforderung dichteren oder weiteren Raster über eine Gesamtfläche verteilt wiederholt ausgeführt, um eine angestrebte Tragfähigkeit des Bodens zu erreichen und/oder Verflüssigungszustände des Bodens im Fall von Erdbeben zu behindern. Problematisch ist es hierbei, das Ergebnis der Rütteldruckverdichtung zu überprüfen. In der bisherigen Praxis wird davon ausgegangen, daß die Überwachung der Leistungsaufnahme und damit der Bodenverdichtungsleistung des Rüttlers einen hinreichenden Anhaltspunkt für das Ergebnis der Verdichtungsarbeit in den einzelnen Höhenstufen bietet. Letzte Sicherheit über die erreichte Lagerungsdichte D geben bisher hier beispielsweise Drucksondierungen. Bei unzureichendem Ergebnis muß das Bodenverbesserungsverfahren durch ergänzende Durchführungen der Rütteldruckverdichtung, die gegebenenfalls nach einem dem ersten überlagerten Raster gesetzt werden, nachgebessert werden.The The invention relates to a method for determining the storage density of the soil during the Soil improvement by means of vibrating pressure compaction using a computer or processor unit. This is a deep vibrator with an imbalance rotating about a vertical axis on a linkage, optionally under supply of Water and / or air, shaken into the ground and in height steps drawn mostly given size and in shaking intervals shaking in individual depths held. The shaker leads here tumbling movements around a zero point of motion that is close to his elastic suspension at the linkage lies while the Rüttlerspitze performs a circular path with maximum amplitude. This soil improvement process is in a denser depending on the requirement or further grid over a total area distributed repeatedly, for a desired carrying capacity reach the bottom and / or liquefaction conditions of the soil Soil in the event of earthquakes. The problem here is to check the result of the vibrating pressure compaction. In Previous practice assumes that the monitoring of power consumption and thus the soil compaction performance of the vibrator sufficient Clue for that Result of the compaction work in the individual height levels offers. Last security over the storage density D achieved so far is given here, for example CPTs. If the result is insufficient, the soil improvement process must be carried out through complementary bushings vibrating pressure compaction, optionally set after a first superimposed grid will be improved.

In der DE 198 59 962 A1 wird daneben ein Verfahren beschrieben, bei dem der so genannte Vorlaufwinkel zwischen der Phasenlage des Tiefenrüttlers und der Phasenlage seiner Unwuchtmasse als Kenngröße zur Bestimmung des Verdichtungsgrades herangezogen wird. Gerätetechnisch werden hierzu am Rüttler ein Impulsgeber zur Bestimmung einer Nullage der Unwucht und zumindest zwei in aufeinander senkrecht stehenden vertikalen Ebenen angeordnete Beschleunigungsaufnehmer vorgesehen.In the DE 198 59 962 A1 In addition, a method is described in which the so-called advance angle between the phase position of the deep vibrator and the phase position of its imbalance mass is used as a parameter for determining the degree of compaction. Device technology for this purpose, a pulse generator for determining a zero position of the imbalance and at least two arranged in mutually perpendicular vertical planes acceleration sensor provided on the vibrator.

Aus der DE 199 28 692 C1 ist ein Verfahren zur online-Verdichtungskontrolle eines Tiefenrüttlers bekannt, bei dem bodendynamische Kennwerte und daraus die Lagerungsdichte des Bodens aus den Meßwerten Eindringtiefe des Rüttlers, Verkippungswinkel der Rüttlerachse, Vorlaufwinkel der Unwucht und mindestens einer horizontalen Auslenkung (Amplitude) des Rüttlers ermittelt werden. Hierbei sollen ein oder mehrere Sensoren am Rüttler die erforderlichen Meßwerte liefern, die Beschleunigungsaufnehmer und/oder Winkelaufnehmer und/oder Kompasse und/oder Wegaufnehmer sein können.From the DE 199 28 692 C1 is a method for online compression control of a deep vibrator known in the soil dynamic characteristics and from the storage density of the soil from the measured depths of penetration of the vibrator, tilt angle of the vibrator axis, forward angle of imbalance and at least one horizontal deflection (amplitude) of the vibrator are determined. In this case, one or more sensors on the vibrator should provide the required measured values, which may be acceleration transducers and / or angle transducers and / or compasses and / or transducers.

Während bei der erstgenannten Schrift deutlich wird, daß der Vorlaufwinkel selber unmittelbar als signifikante Größe für den Verdichtungserfolg herangezogen wird, wird bei der zweitgenannten Schrift aus der genannten Anzahl von Meßwerten die Lagerungsdichte errechnet, wobei unklar bleibt, wie diese Meßwerte zur ebenfalls vorgenommenen Überwachung der Leistungsaufnahme des Rüttlers in Beziehung gesetzt werden sollen.While at the first-mentioned document is clear that the lead angle itself immediately as a significant factor for the compaction success is used in the second-mentioned document from the mentioned Number of measured values the storage density is calculated, while it remains unclear how these measurements for also carried out monitoring the power consumption of the vibrator to be related.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Rütteldruckverdichtungsverfahren der eingangs genannten Art die Lagerungsdichte online während der einzelnen Rüttelintervalle mit verringertem Meßaufwand zu kontrollieren. Die Lösung hierfür besteht darin, daß die Radialbeschleunigung s .. des Rüttlers zur Bestimmung der Amplitude s des Rüttlers, die Umlauffrequenz n und die Tiefenlage t des Rüttlers gemessen werden, daß die Lagerungsdichte D aus der Amplitude s des Rüttlers unter Berücksichtigung spannungsabhängiger Bodenkennwerte mittels der Rechner- bzw. Prozessoreinheit berechnet wird, wobei die Lagerungsdichte D als Funktion der tiefenabhängigen Horizontalspannung σ_H des Bodens und der Radialbeschleunigung s .. des Rüttlers ermittelt wird (D = f(σ_H, s ..), und wobei die Horizontalspannung σ_H als Produkt aus der tiefenabhängigen Vertikalspannung σ_V und dem Erddruckbeiwert k berechnet wird (σ_H = k·σ_V). Hiermit wird die erforderliche Messung wesentlich vereinfacht, insbesondere wird von der Erfassung oder Berechnung des Vorlaufwinkels des Rüttlers (Phasenlage der Rüttlerunwucht gegenüber Phasenlage des Rüttlermantels) vollständig abgesehen. Dabei wird eine Rüttleramplitude, die an geeigneter Stelle des Rüttlers zwischen der Rüttlerspitze und dem Bewegungsnullpunkt des Rüttlers erfaßt wird, herangezogen, wobei vorausgesetzt wird, daß die Rüttlerdrehzahl in jedem Fall mit entsprechender Meßtechnik am Antriebsmotor erfaßt wird. Auf diese Weise kann über die von einem einzigen am Rüttler befestigten Beschleunigungsaufnehmer ermittelte Radialbeschleunigung und die Umfauffrequenz bzw. Rüttlerdrehzahl die Rüttleramplitude in einer geeigneten Rechner- bzw. Prozessoreinheit ermittelt werden, aus der dann die Lagerungsdichte D erfindungsgemäß berechnet wird. Eine Anzahl von Gerätekennwerten und eine Anzahl von Bodenkennwerten, die aus vorhergehenden Aufschlußbohrungen zu erhalten sind, sind in die Rechner- bzw. Prozessoreinheit zunächst einzulesen.The present invention is based on the object in the Rütteldruckverdichtungsverfahren of the type mentioned, the storage density online during the individual Rüttelintervalle with reduced Meßaufwand to control. The solution to this is that the radial acceleration s .. of the vibrator for determining the amplitude s of the vibrator, the rotational frequency n and the depth t of the vibrator are measured, that the storage density D from the amplitude s of the vibrator taking into account voltage-dependent soil characteristics by means of Calculator or processor unit is calculated, the storage density D as a function of the depth-dependent horizontal stress σ _{H of} the soil and the radial acceleration s .. the vibrator is determined (D = f (σ _H , s ..), and wherein the horizontal stress σ _H is calculated as the product of the depth-dependent vertical stress σ _V and the earth pressure coefficient k (σ _H = k · σ _V ) This considerably simplifies the required measurement, in particular the acquisition or calculation of the feed angle of the vibrator (phase position of the vibrator unbalance versus phase position of the vibrator) Rüttler coat) completely apart tude, which is detected at a suitable point of the vibrator between the Rüttlerspitze and the zero point of movement of the vibrator, used, it being assumed that the Rüttlerdrehzahl is detected in each case with appropriate measurement technology on the drive motor. In this way, the vibrator amplitude determined in a suitable computer or processor unit can be determined via the radial acceleration determined by a single accelerometer mounted on the vibrator and the reflow frequency or vibrator speed, from which the storage density D is then calculated according to the invention. A number of device characteristics and a number of soil characteristics to be obtained from previous digestion wells are first read into the computing or processing unit.

Hierbei wird vereinfacht davon ausgegangen, daß die Horizontalspannung des Bodens in der Horizontalebene der Rüttlerarbeit im wesentlichen richtungsunabhängig gleich ist. Hierbei kann wiederum gesagt werden, daß die Vertikalspannung σ_V des Bodens als Funktion von Lagerungsdichte D und Tiefenlage t ermittelt wird (σ_V= f(D, t)), so daß die Berechnung der Lagerungsdichte D mittels der Horizontalspannung durch Iteration erfolgen muß. Konkret kann die Vertikalspannung σ_V als Produkt aus Wichte γ und Tiefenlage t ermittelt werden (σ_V = γ·t), wobei die Wichte eine Funktion der Lagerungsdichte D ist (γ = f(D)), so daß näher erkennbar wird, wie die Berechnung der Vertikalspannung σ_V durch Iteration erfolgen muß.This is simplified assuming that the horizontal stress of the soil in the Horizontal level of Rüttlerarbeit is essentially the same direction independent. Here again, it can be stated that the vertical stress σ _{V of} the soil is determined as a function of storage density D and depth position t (σ _V = f (D, t)), so that the calculation of the storage density D by means of the horizontal stress must be carried out by iteration. Specifically, the vertical stress σ _V can be determined as the product of the weight γ and the depth t (σ _V = γ · t), where the density is a function of the storage density D (γ = f (D)), so that it becomes more apparent how the calculation of the vertical stress σ _V must be done by iteration.

Der Erddruckbeiwert k, der ebenfalls in die Berechnung der Horizontalspannung eingeht, ist als exponentiale Funktion der Lagerungsdichte D zu ermitteln (k = a·10^b·D). Hiermit ist ein weiteres Auftreten der Lagerungsdichte D im Berechnungsansatz erkennbar, so daß auch unter diesem Gesichtspunkt das iterative Berechnen der Lagerungsdichte D erforderlich wird.The Erddruckbeiwert k, which also enters into the calculation of the horizontal stress is to be determined as an exponential function of the storage density D (k = a · 10 ^{b · D} ). This makes it possible to detect a further occurrence of the storage density D in the calculation approach, so that the iterative calculation of the storage density D is also required from this point of view.

Während die Lagerungsdichte, die mit

definiert ist, wobei e die Porenzahl des Bodens, e_max die maximale Porenzahl und e_min die minimale Porenzahl ist, üblicherweise auf Werte der Porenzahlen an der Bodenoberfläche bezogen ist, ist das Ergebnis der Lagerungsdichte gemäß dem vorliegenden Verfahren spannungsabhängig normiert, d.h. die Berechnung der Lagerungsdichte bezieht sich auf maximale bzw. minimale Porenzahlen in entsprechender Tiefe. Die Lagerungsdichte ist gemäß vorstehendem ein Verhältniswert. Die Porenzahl e ist hierbei eine Funktion der Wichte γ[e = f(γ)].While the storage density, with

where e is the pore number of the soil, e _{max is} the maximum pore number and e _{min is} the minimum pore number, usually based on values of pore numbers at the soil surface, the result of the storage density according to the present method is normalized by stress, ie the calculation of Storage density refers to maximum or minimum pore numbers in appropriate depth. The storage density is a ratio according to the above. The pore number e is a function of the weight γ [e = f (γ)].

Wie bei bisherigen Verfahren auch dient die Ermittlung der Lagerungsdichte vorrangig zur zeitlichen Begrenzung entsprechender Rüttelintervalle, d. h. wenn ein vorgegebener Sollwert der Lagerungsdichte in der entsprechenden Tiefe erreicht ist, wird das jeweilige Rüttelintervall beendet und der Rüttler um eine vorgegebene Höhenschrittweite, insbesondere um 50 cm, nach oben gezogen. Bei gleichbleibender oder sinkender Amplitude s wird eine vorgegebene Rüttelfrequenz, z. B. 30 Hz, beibehalten, da von einer zunehmenden Verdichtung des Bodens ausgegangen werden kann. Nimmt jedoch die Amplitude s zu, so deutet dies auf eine Auflockerung des Bodens oder eine Resonanzerscheinung des Rüttler-Boden-Systems infolge des Rüttelns hin. In diesem Fall ist die Rüttlerfrequenz zu reduzieren.As in previous methods also serves the determination of the storage density primarily for limiting the duration of corresponding shaking intervals, d. H. if a given setpoint of the storage density in the corresponding depth is reached, the respective Rüttelintervall finished and the jogger around a predetermined height increment, in particular by 50 cm, pulled upwards. At constant or sinking amplitude s will be a predetermined Rüttelfrequenz, z. 30 Hz, maintained, as assumed by an increasing compaction of the soil can be. However, if the amplitude s increases, this indicates a loosening of the soil or a resonance of the vibrator-soil system as a result of shaking out. In this case, the jogger frequency is to reduce.

Um einen signifikanten gemittelten Kennwert der Beschleunigungsmessung und damit der Amplitudenermittlung zu erhalten, wird vorgeschlagen, daß an einem Tiefenrüttler zur Durchführung des obengenannten Verfahrens der Beschleunigungsaufnehmer um die Hälfte der Höhenschrittweite von der unteren Rüttlerspitze entfernt liegt, insbesondere also um 25 cm bei einer Höhenschrittweite von 50 cm.Around a significant average value of the acceleration measurement and thus to obtain the amplitude determination, it is proposed that on a deep vibrator to carry out of the above method, the accelerometer to the half the height increment from the bottom vibrator tip is removed, in particular so by 25 cm at a height increment of 50 cm.

Die einzige Zeichnung zeigt ein Beispiel eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen geeigneten Tiefenrüttlers. Hierbei sind ein Gestänge 11, eine elastische Kupplung 12 und ein Tiefenrüttler 13 gezeigt; an letzterem sind eine Unwucht 15 sowie ein Beschleunigsaufnehmer 16 markiert. Mit 17 ist der Bewegungsnullpunkt des Rüttlers angedeutet, um den eine Taumelbewegung der Rüttlerachse erfolgt, mit geringen Amplituden s12 im Bereich der elastischen Kupplung 12 und mit großen Amplituden s14 im Bereich der Rüttlerspitze 14. Gemessen und im vorstehenden mit s bezeichnet ist die Amplitude im Bereich des Beschleunigungsaufnehmers 16.The single drawing shows an example of a suitable for carrying out the invention according to the invention Tiefenrüttlers. Here are a linkage 11 , an elastic coupling 12 and a deep vibrator 13 shown; At the latter are an imbalance 15 and an accelerometer 16 marked. With 17 the movement zero point of the vibrator is indicated by a tumbling motion of the vibrator axis, with small amplitudes s12 in the region of the elastic coupling 12 and with large amplitudes s14 in the area of the vibrator tip 14 , Measured and denoted by s in the above, the amplitude is in the region of the acceleration sensor 16 ,

Claims

Method for determining the storage density D of the soil during soil improvement by means of Rütteldruckverdichtung using a computer or processor unit, - this is a deep vibrator with a rotating about a vertical axis unbalance hanging on a linkage, optionally with the supply of water and / or air, shaken into the ground, pulled in individual height steps and shaking held in shaking intervals in individual depths - in which the radial acceleration s .. of the vibrator for determining the amplitude s of the vibrator, the rotational frequency n and the depth position t of the vibrator are measured, and the storage density D is calculated from the amplitude s of the vibrator taking into account stress-dependent soil properties by means of the computer or processor unit by determining the storage density D as a function of the depth-dependent horizontal stress σ _{H of} the soil and the radial acceleration s... [D = f (σ _H ,

)], and the horizontal voltage σ _{H is} calculated as the product of the depth-dependent vertical stress σ _V and the earth pressure coefficient k [σ _H = k · σ _V ].

The method of claim 1, wherein the vertical stress σ _{V of} the soil is determined as a function of storage density D and depth position t [σ _V = f (D, t)], so that the calculation of the storage density D by iteration takes place.

Method according to Claim 2, in which the vertical stress σ _{V is determined} as the product of the weight γ and the depth of position t [σ _V = γ · t)], the weight γ being a function of the storage density D [γ = f (D)], so that the calculation of the vertical stress σ _V is done by iteration.

Method according to one of claims 1 to 3, wherein the Erddruckbeiwert k is determined as an exponential function of the storage density D [k = a · 10 ^{b · D} ], so that the calculation of the storage density D by iteration takes place.

Method according to one of claims 1 to 4, wherein the storage density, with

where e is the pore number, e _{max is} the maximum void number and e _{min is} the minimum void number, with voltage dependent values for e _max and e _min , where e is a function of the weight γ [e = f (γ)].

Method according to one of claims 1 to 5, wherein the vibrator in constant or decreasing amplitude s with constant frequency of rotation n is driven.

Method according to one of claims 1 to 6, wherein the vibrator in Increased amplitude s driven with reduced rotational frequency n becomes.

Method according to one of claims 1 to 7, wherein the Rüttelintervalle dependent on from reaching a setpoint for the storage density D is terminated.

Method according to one of Claims 1 to 8, in which the acceleration sensor ( 16 ) by half the height increment of the lower vibrator tip ( 14 ) of the depth vibrator is arranged remotely, in particular by 25 cm at a height increment of 50 cm.