DE102010060843A1

DE102010060843A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Bodenparametern mittels Verdichtungsmaschinen

Info

Publication number: DE102010060843A1
Application number: DE102010060843A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Latt; André Kurzweg
Original assignee: Weber Maschinentechnik GmbH
Current assignee: Weber Maschinentechnik GmbH
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-11-27
Also published as: EP2458089A2; EP2458089A3; DE102010060843B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Bodeneigenschaft mittels einer Bodenverdichtungsvorrichtung, die zum Verdichten von Untergründen geeignet ist und die eine schwingend beaufschlagte Bodenplatte zur Bodenverdichtung aufweist, wobei die Bodenplatte insbesondere von einem motorisch angetriebenen Schwingungserreger in eine gerichtete Schwingung versetzt wird, mit wenigstens einem Sensor, der die Beschleunigungen der Bodenplatte in vertikaler Richtung erfasst und an eine Messeinrichtung übermittelt, die basierend auf den Beschleunigungen der Bodenplatte absolute Verdichtungskennwerte während der Bodenverdichtung ermittelt und verfügbar macht, wobei in einem Einrichtungsbetrieb der Bodenverdichtungsvorrichtung eine Korrelation zwischen dem Schwingungsverhalten, vorzugsweise den Beschleunigungen der Bodenplatte oder eines hieraus ermittelten Wegsignals der Bodenplatte, und den absoluten Verdichtungskennwerten erstellt und in der Messeinrichtung hinterlegt wird, und dass die Messeinrichtung während des Verdichtungsbetriebs die Beschleunigungen der Bodenplatte ermittelt und derart transformiert, dass diese als Eingabewerte für die hinterlegte Korrelation geeignet sind, und dass die Messeinrichtung mittels des Eingabewerts und der Korrelation einen absoluten Verdichtungskennwert bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ein Verfahren zur arbeitsintegrierten Bestimmung von absoluten Bodenkennwerten, insbesondere Verdichtungskennwerten, während der Bodenverdichtung mit einer Bodenverdichtungsvorrichtung, sowie eine Bodenverdichtungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 19.
Eine qualitativ hochwertige und den gestellten Anforderungskriterien entsprechend ausgeführte Verdichtung von Aufstandsflächen, Schüttlagen, Frostschutz- oder Tragschichten und dergleichen hat allgemein im Tiefbau, aber auch im Bereich von Gründungen des Industrie- und Hallenbaus einen wesentlichen Einfluss auf die Gebrauchstauglichkeit und die Lebensdauer des zu errichtenden Bauwerks.
Zur Bestimmung von Bodenparametern sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die getrennt von Bodenverdichtungsgeräten arbeiten. So gibt es ein genormtes Plattendruckverfahren (DIN 18134), bei dem im Rahmen eines statischen Lastplattendruckversuchs ein Verformungsmodul E_V bestimmt wird. Ebenso ist ein dynamischer Lastplattendruckversuch bekannt (Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau TP BF-StB, Teil B 8.3 (2003)). Weiterhin stellt auch ein Verdichtungsgrad D_Pr in der Bodenmechanik einen Verdichtungskennwert dar, dessen Bestimmung einen Laborversuch (Proctorversuch) sowie einen Feldversuch erfordern.
Diese konventionellen, von den Verdichtungsgeräten getrennten Messverfahren und -vorrichtungen, erfordern zusätzliche Messungen nach der Verdichtung. Die Anzahl der Messungen auf einer definierten Fläche, in der gleiche Randbedingungen des Bodens vorliegen und die im Weiteren auch als Prüflos bezeichnet wird, ist durch den zeitlichen Aufwand begrenzt, das heißt es kann nur stichprobenartig gemessen werden. Bei ungünstiger Auswahl der Messstellen kann zusätzlich ein Schadensrisiko für ein Bauwerk bestehen. Deshalb ist es sinnvoll, schon im Vorfeld der Messungen Informationen darüber zu haben, ob das gesamte Prüflos gleichmäßig und ausreichend verdichtet ist.
Um eine derartige Information zu erhalten, hat man Verfahren und Vorrichtungen entwickelt, die während des Verdichtungsvorgangs, das heißt während des Übergangs des Bodenverdichters über den zu verdichtenden Untergrund, anhand von Schwingungsparametern einen jeweils aktuellen Verdichtungskennwert ermitteln und anzeigen. Somit kann ein optimierter Einsatz der Verdichtungsgeräte erfolgen. Der Verdichtungsvorgang kann jederzeit abgebrochen werden, sofern beispielsweise durch weitere Übergänge keine Verbesserungen mehr erzielbar sind oder wenn die Gefahr besteht, dass sich das bereits verdichtete Material wieder auflockert.
DE 100 28 949 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Verdichtungsgrades bei der Bodenverdichtung mittels einer Walze oder einem Plattenrüttler. Hierbei werden Amplitudenwerte von Schwingungen einer Bodenplatte relativ zu einem Oberbau gemessen, insbesondere berührungslos (induktiv), und in einer elektronischen Schaltung ausgewertet. Dies geschieht wenn zum einen die Schwingung der Bodenplatte annähernd bei Anregungsfrequenz erfolgt und wenn zum anderen die Schwingung der Platte annähernd bei maximal 60% der Anregungsfrequenz erfolgt. Ein Quotient aus beiden Amplitudenwerten dient als Maß für den aktuellen Verdichtungsgrad. Wenn der Quotient einen bestimmten Grenzwert übersteigt oder seine Änderungsgeschwindigkeit zu gering ist, wird ein optisches oder akustisches Signal erzeugt. Hieran kann der Bediener die mit der Maschine maximal erreichbare Verdichtung erkennen. Ab diesem Zeitpunkt lohnen sich weitere Übergänge nicht mehr und können sogar abträglich sein, da sie sowohl zu Schäden im bereits verdichteten Untergrund als auch an der Maschine führen.
Problematisch hierbei ist, dass die Relativbewegung zwischen dem gewöhnlich schwingungsgedämpften Oberbau und der mit dem Boden in Kontakt stehenden, unmittelbar in Schwingung versetzten Bodenplatte eine nur ungenaue Aussage über den tatsächlichen Verdichtungsgrad zulässt. Weiterhin verfälschen Eigenschwingungen der Maschine und die Dämpfungsglieder zwischen der Bodenplatte und dem Oberbau das Ergebnis.
Die Anzeige des Verdichtungsgrades erfolgt über ein einfaches, am oberen Ende des Führungsbügels angebrachtes Drehzeigerinstrument. Dies hat den Nachteil, dass man für eine Beurteilung des jeweils erlangten Verdichtungsgrades eine gegebenenfalls erfolgte Änderung der Zeigerstellung erkennen und ablesen muss. Das ist jedoch im zumeist rauen Baustellenbetrieb oft nur schwer möglich. Mithin besteht die Gefahr, dass im Zweifel mehr Verdichtungsübergänge erfolgen als tatsächlich notwendig, was sowohl zu Schäden im bereits verdichteten Untergrund als auch zu Beschädigungen an der Maschine führen kann.
Der Arbeits- und Zeitaufwand lässt sich nur bedingt optimieren und es werden keine absoluten Verdichtungskennwerte angezeigt, sodass eine nachträgliche Bestimmung dieser mittels konventioneller Prüfmethoden erforderlich ist. Gegebenenfalls muss daraufhin eine Nachverdichtung erfolgen, an die sich eine weitere konventionelle Überprüfung anschließt.
Weiterhin ist aus DE 20 2004 015 141 U1 ein Bodenverdichter zum Verdichten von Untergründen und Baustoffen bekannt, der eine Bodenplatte besitzt, die von einem motorisch angetriebenen Schwingungserreger in eine gerichtete Schwingung versetzt wird, und eine Einrichtung zur Ermittlung des Verdichtungsgrades während der Bodenverdichtung aufweist. Ein auf der Bodenplatte befestigter Sensor detektiert deren Beschleunigungen. Zur Ermittlung des Verdichtungsgrades hat der Bodenverdichter eine elektronische Schaltung, welche die von dem Sensor registrierten Messwerte aufnimmt und verarbeitet. Die ermittelten Ergebnisse werden anschließend mittels eines Anzeigeelementes mit wenigstens drei Leuchtelementen visualisiert, die als Leuchtkette geschaltet den Grad der Verdichtung repräsentieren. Damit bekommt der Bediener eine Information über die tendenzielle Verdichtungszunahme oder -abnahme.
Nachteilig hierbei ist, dass keine absoluten Verdichtungskennwerte bestimmt werden, sondern nur relative Verdichtungsgrade. Der Arbeits- und Zeitaufwand lässt sich somit nur bedingt optimieren, denn um einen absoluten Verdichtungskennwert zu bestimmen, müssen nach abgeschlossener Verdichtung konventionelle Prüfmethoden folgen, um die Tragfähigkeit des Bodens bzw. die erreichte Dichte des Bodens zu ermitteln. Unter Umständen müssen anschließend weitere Verdichtungsüberfahrten durchgeführt und die konventionellen Prüfungen wiederholt werden.
Auch aus der DE 10 2006 008 266 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Bodeneigenschaft mittels einer Bodenverdichtungsvorrichtung bekannt, die eine schwingend beaufschlagte Bodenplatte zur Bodenverdichtung aufweist. Um die Güte einer Verdichtungsarbeit überprüfen zu können, sollen ermittelt man einen dynamische Verformungsmodul E_{V,dynVerdichter} während der Verdichtung. Gemäß DE 10 2006 008 266 A1 verlieren Vibrationsplatten und -stampfer üblicherweise während eines erheblichen Teils eines Schwingungs-Belastungszyklus den Kontakt zum Boden. Aufgrund langer Flugphasen und kurzer Berührungszeiten eignen sich auf periodisches Bewegungsverhalten ausgelegten Messverfahren des Standes der Technik nicht zur Ermittlung der Bodeverdichtung. Zudem unterliegen die Bodenplatten von Vibrationsplatten und stampfern einem chaotischen Bewegungsverhalten, weil sie durch das Springen beziehungsweise Fliegen immer wieder Bodenkräfte an unterschiedlichen Stellen aufnehmen müssen.
DE 10 2006 008 266 A1 berücksichtigt daher zahlreiche Parameter, die das Ergebnis beeinflussen. Dies erfordert Sensordaten und Berechnungen.
Die Hauptberechnungsformel lautet:
Dabei ist α ein Kontaktflächenparameter zur Berücksichtigung der Geometrie und Form der tatsächlichen Kontaktfläche der Bodenplatte mit dem Boden während eines bestimmten, für die Bestimmung der tatsächlichen Kontaktfläche betrachteten Zeitabschnitts. Die momentane Kontaktfläche der Bodenplatte ist abhängig von allen drei Koordinatenachsen und Rotationen um diese. Sie muss mittels Sensoren und Berechnungen bestimmt werden. Sowohl translatorische Beschleunigungen als auch Drehbeschleunigungen sind hierfür zu messen. Dabei spielen insbesondere Drehgeschwindigkeiten in Nickrichtung (um die y-Achse), Rollrichtung (um die x-Achse) und Gierrichtung (um die z-Achse) eine Rolle.
Der Faktor k_dyn stellt die dynamische Steifigkeit des Bodens dar und wird als Gradient der Kontaktkraft F und des Kontaktwegs s gebildet. Dabei ist
eine Annäherung an den tatsächlichen Gradient der Kontaktkraft
Auch die Kraft F muss mithilfe von Berechnungen, welche die Unwuchtbewegungen berücksichtigen, oder durch Sensoren erfasst werden. Aus der momentanen Position der Unwuchten, inklusive deren Phasenverschiebung, sowie der Kenntnis der Erregerwellen-Winkelgeschwindigkeit und der Größe derer Unwuchten wird die momentan wirkende Unwuchtkraft in Richtung und Größe bestimmt.
Eine Ermittlung des Kontaktwegs s erfordert zunächst eine Ermittlung der Beschleunigungen des Kraftangriffspunktes. Durch doppelte Integration der Beschleunigungen am Kraftangriffspunkt lassen sich dann Amplitude und Richtung des Weges an diesem ermitteln. Erforderlich hierfür ist es, zunächst die Lage des Kraftangriffspunktes P zu bestimmen, der wiederum vom Kontaktflächenparameter α abhängt. Die Lage des Kraftangriffspunkts der Kontaktkraft kann in erster Näherung als Lage des Flächenschwerpunkts der Kontaktfläche angesehen werden, sodass die Lage des Flächenschwerpunkts bekannt ist.
Um genauere Messergebnisse zu erzielen, ist es notwendig den Zusammenhang zwischen dem Kontaktflächenparameter α und der Lage des Flächenschwerpunkts beziehungsweise des Kraftangriffspunkts durch Versuche zu ermitteln. Dies übernimmt im Stand der Technik der Hersteller der Bodenverdichtungsvorrichtung.
Wesentlicher Nachteil der DE 10 2006 008 266 A1 ist, dass der theoretische Berechnungsweg eines absoluten Verdichtungskennwerts kaum eine Praxistauglichkeit erfüllt. So ist die momentane Kontaktfläche nicht hinreichend genau bestimmbar. Im Bereich der Kontaktfläche liegt zudem in der Regel eine ungleichmäßige Kraftverteilung vor, wodurch der Kraftansatzpunkt eben gerade nicht dem Flächenschwerpunkt der Kontaktfläche entspricht. Zur Bestimmung der zur Lösung der Gleichungen notwendigen Randbedingungen, sind daher aufwendige Versuchsreihen erforderlich. Trotz dieser führt die Berechnung nicht zu exakten und verlässlichen Verdichtungskennwerten.
DE 10 2006 008 266 A1 offenbart weiterhin Sensoren und deren Anordnung, um auf direktem Wege einen Bodenkennwert zu berechnen. Nachteilig ist jedoch in allen Fällen, dass der Berechnungsansatz eine Vielzahl an Messdaten benötigt, um alle Freiheitsgrade der Bodenplatte berücksichtigen zu können. Die benötigte Anzahl an Sensoren führt nicht nur zu hohen Kosten, sondern auch zu einem gesteigerten Ausfallrisiko durch die resultierende Komplexität und zu konstruktiv notwendigen Gestaltungsanforderungen. Montage, Demontage, Fehlersuche und Fehlerbehebung werden zusätzlich erschwert. Zudem kommt es durch die Verwendung zahlreicher Näherungen für die Ermittlung des Verformungsmoduls zu ungenauen, fehlerbehafteten Ergebnissen.
Ziel der Erfindung ist es, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren für einen Bodenverdichter zu schaffen, der eine ebenso einfach wie kostengünstig zu realisierende Messeinrichtung aufweist, anhand derer die Verdichtungszunahme, Schwachstellen und Inhomogenitäten der zu verdichtenden Untergründe bzw. Baustoffe sowie Abweichungen von der Betriebsfrequenz rasch und bequem zu erfassen bzw. abzulesen sind, ohne dass besondere Vor- oder Fachkenntnisse beim Bediener vorhanden sein müssen. Fehlinterpretationen sollen ebenso ausgeschlossen werden wie Unsicherheiten beim Ablesen. Zusätzlich soll die Messeinrichtung mittels des Verfahrens absolute Verdichtungskennwerte liefern, die einen Anhaltspunkt für nachfolgende konventionelle Prüfmethoden geben können oder diese – sofern entsprechend geltender Gesetze und anderer Vorschriften zulässig – ganz entbehrlich machen.
Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 18. Anspruch 19 beschreibt eine erfindungsgemäße Bodenverdichtungsvorrichtung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Bodeneigenschaft mittels einer Bodenverdichtungsvorrichtung, die zum Verdichten von Untergründen und Baustoffen geeignet ist und die eine schwingend beaufschlagte Bodenplatte zur Bodenverdichtung aufweist, wobei die Bodenplatte insbesondere von einem motorisch angetriebenen Schwingungserreger in eine gerichtete Schwingung versetzt wird, mit wenigstens einem Sensor, der die Beschleunigungen der Bodenplatte in vertikaler Richtung erfasst und an eine Messeinrichtung übermittelt, die basierend auf den Beschleunigungen der Bodenplatte absolute Verdichtungskennwerte während der Bodenverdichtung ermittelt und verfügbar macht, wobei in einem Einrichtungsbetrieb der Bodenverdichtungsvorrichtung eine Korrelation zwischen dem Schwingungsverhalten, vorzugsweise den Beschleunigungen der Bodenplatte oder eines hieraus ermittelten Wegsignals der Bodenplatte, und den absoluten Verdichtungskennwerten erstellt und in der Messeinrichtung hinterlegt wird, und dass die Messeinrichtung während des Verdichtungsbetriebs die Beschleunigungen der Bodenplatte ermittelt und derart transformiert, dass diese als Eingabewerte für die hinterlegte Korrelation geeignet sind, und dass die Messeinrichtung mittels des Eingabewerts und der Korrelation einen absoluten Verdichtungskennwert bestimmt.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die geringe Komplexität des Verfahrens durch die Beschränkung auf einen einzigen notwendigen Sensor. Dementsprechend sind auch die konstruktiven Gestaltungsmerkmale einfach umzusetzen, sodass die Entwicklungs- und Fertigungskosten sinken.
Positioniert wird der Sensor vorzugsweise entsprechend eines maschinentyp-abhängigen Bewegungsverhaltens der Bodenplatte. Bei Maschinentypen mit reiner Sprungbewegung der Bodenplatte, das heißt ohne seitliche Kippbewegungen, ist eine Positionierung in der Mitte der Bodenplatte vorteilhaft, da hier der Massenschwerpunkt liegt. Verhält sich der Maschinentyp jedoch derart, dass die Bodenplatte eine Taumelbewegung durchführt, dass heißt Sprung-, Kipp- und Nickbewegungen, ist eine Positionierung des Sensors am Rand der Bodenplatte besser geeignet, um exakte Ergebnisse des absoluten Verdichtungskennwerts zu erzielen.
Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit zusätzliche Sensoren anzuordnen, um das Bewegungsverhalten der Bodenplatte zu erfassen.
Die erfindungsgemäß während der Bodenverdichtung ermittelten Verdichtungskennwerte stellen eine sehr gute Näherung an einen absoluten Verdichtungskennwert dar, die insbesondere nicht durch zahlreiche Iterationen und Approximationen wie bei einer direkten Berechnung des absoluten Verdichtungskennwerts verfälscht sind. Der Rückschluss vom Schwingungsverhalten der Bodenplatte auf einen absoluten Verdichtungskennwert erfordert zwar die Erstellung einer Korrelation für jeden Maschinentyp, dafür können jedoch aufwendige Berechnungsverfahren zur direkten Bestimmung des Verdichtungskennwertes entfallen. Somit sind auch keine Messdaten und somit Sensoren für alle Freiheitsgrade notwendig. Neben der geringen Anzahl an Sensoren ist auch die deutlich reduzierte Rechenleistung von Vorteil, die es ermöglicht eine preiswerte Messeinrichtung zu verwenden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine zuverlässige Erfassung einer Verdichtungszunahme, sowie von Schwachstellen und Inhomogenitäten der zu verdichtenden Untergründe bzw. Baustoffe. Weiterhin ist es möglich, Abweichungen von der Betriebsfrequenz zu erfassen. Der Bediener benötigt dabei keine besonderen Vor- oder Fachkenntnisse. Dieser kann problemlos erkennen, ob durch eine Überfahrt eine Verdichtungszunahme erzielt wird. Außerdem erkennt er Schwachstellen und Inhomogenitäten daran, dass der absolute Verdichtungskennwert abfällt oder ansteigt. Ist keine Verdichtungszunahme mehr erzielbar, kann der Bediener die Verdichtung beenden. Er kann die Verdichtung auch bereits bei Erreichen des gewünschten absoluten Verdichtungskennwerts stoppen. Hierdurch werden überflüssige Überfahrten vermieden und die Arbeits- und Maschinenkosten deutlich gesenkt.
Die von der Messeinrichtung ermittelten absoluten Verdichtungskennwerte liefern auch einen zuverlässigen Anhaltspunkt für nachfolgende konventionelle Prüfmethoden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass erst durch die konventionelle Prüfmethode eine nicht ausreichende Verdichtung erkannt wird. Damit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass eine erneute Verdichtung und eine erneute konventionelle Überprüfung durchgeführt werden müssen. Hierdurch vermeidet man überflüssige Überfahrten und die Arbeits- und Maschinenkosten sinken deutlich.
Die konventionellen Überprüfungen können auch in Verdichtungszonen gelegt werden, die bei der Verdichtung als Schwachstellen identifiziert wurden. Hierdurch ist eine Bebauungsfreigabe einer nicht ausreichend verdichteten Fläche ausgeschlossen, da eine so bestimmte Messstelle repräsentativ für die gesamte Fläche ist. Aufgrund des Langzeitverhaltens setzungsempfindlicher Böden, kann eine Setzung zwar nicht gänzlich ausgeschlossen werden, eine qualitativ hochwertige Verdichtung durch ein hochwertiges verfahrensgemäßes Kontrollinstrument minimiert die zu erwartenden Setzungen jedoch. Schäden an Bebauungen durch eine Bodensetzung, insbesondere eine ungleichmäßige Bodensetzung, werden so nachhaltig vermieden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Bodenverdichtungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass sich die Beschleunigungen der Bodenplatte deterministisch verhalten. Indem schon bei der Entwicklung der Bodenverdichtungsvorrichtung auf deterministisches Schwingungsverhalten geachtet wird, steigt die Qualität der ermittelten absoluten Verdichtungskennwerte erheblich. Je genauer die Bodenverdichtungsvorrichtung hinsichtlich des deterministischen Schwingungsverhaltens ausgelegt wird, desto weniger weichen die ermittelten Beschleunigungen oder das hieraus ermittelte Wegsignal bei gleichem absoluten Verdichtungskennwert von einem Mittelwert ab. Dass heißt die Streuung um den Mittelwert bzw. die Standardabweichung vom Mittelwert ist gering.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das determinstische Verhalten bei allen möglichen Phasenverschiebungen von in der Bodenverdichtungsvorrichtung angeordneten Einzelerregern gleich oder ähnlich ist.
Mittels dieser Phasenverschiebungen nimmt der Bediener eine Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit der Bodenverdichtungsvorrichtung vor. Die höchsten Anteile an der Betriebszeit haben dabei eine Endstellung Vorwärtsfahrt und eine Endstellung Rückwärtsfahrt. Zwischenstellungen dienen beispielsweise einer langsamen Annäherung an ein Hindernis.
Ein gleiches oder ähnliches deterministisches Verhalten bei allen Phasenverschiebungen ermöglicht einen minimalen Aufwand zur Erstellung der Korrelation, denn diese muss lediglich für eine Phasenverschiebung ermittelt werden. Trotzdem kann später bei jeder Phasenverschiebung eine Ermittlung von absoluten Verdichtungskennwerten erfolgen.
Sofern das deterministische Verhalten eine Abhängigkeit von den Phasenverschiebungen aufweist, ist dies in der Korrelation berücksichtigbar, indem für die erforderlichen Phasenverschiebungen Korrelationen erstellt und in der Messeinrichtung hinterlegt werden. Hierdurch ist auch bei einer derartigen Bodenverdichtungsvorrichtung eine hohe Qualität der ermittelten absoluten Verdichtungskennwerte erreichbar. Außerdem kann bei jeder der hinterlegten Phasenverschiebungen eine Ermittlung von absoluten Verdichtungskennwerten erfolgen.
Liegt bei bestimmten Phasenverschiebungen kein deterministisch wiederkehrendes Schwingungsverhalten vor, sollte bei diesen kein absoluter Verdichtungskennwert ermittelt werden. Vorzugsweise liegt jedoch ein deterministisch wiederkehrendes Schwingungsverhalten bei den am meisten genutzten Phasenverschiebungen vor, insbesondere bei den Endstellungen Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt, sodass hier eine Ermittlung der absoluten Verdichtungskennwerte möglich ist.
In einer einfachen Ausgestaltung des Verfahrens kann sich die Ermittlung des absoluten Verdichtungskennwerts auch ausschließlich auf die Phasenverschiebungen Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt beschränken. Somit sind nur für diese zwei Phasenverschiebungen Korrelationen zu ermitteln und in der Messeinrichtung zu hinterlegen. Der Aufwand zur Erstellung der Korrelation fällt dementsprechend gering aus und das Verfahren ist leicht umsetzbar. Die Ermittlung der Phasenverschiebung und somit die Betriebszustände Vorwärtsfahrt und Rückwärtsfahrt ist einfach ermittelbar, z. B. über eine Bedienhebelstellung, oder über einen zweiten Sensor, welcher horizontale Beschleunigungen ermittelt und somit eine Berechnung einer Resultierenden ermöglicht, oder über zwei Lagesensoren zur Ermittlung der Unwuchtstellungen, oder über einen Steuerdruck in einem Hydraulikkreislauf zur Einstellung der Unwuchtstellungen, oder über eine Position eines Verstellzylinders des Hydraulikkreislaufs. Zusätzlich sinkt der Aufwand zur Gestaltung der Bodenverdichtungsvorrichtung, da ein nicht deterministisches Schwingungsverhalten bei anderen Phasenverschiebungen unerheblich ist. Trotzdem kann dem Bediener zu einem Großteil der Betriebszeit ein absoluter Verdichtungskennwert verfügbar gemacht werden, um ein gutes und zeiteffizientes Verdichtungsergebnis zu erzielen. Sofern die Phasenverschiebung eine andere ist, kann dem Bediener statt einem Verdichtungskennwert eine Meldung ausgegeben werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung eine Schnelle Fourier-Transformation (FFT) durchführt und das deterministische Verhalten der Beschleunigungen der Bodenplatte überwacht.
Mittels des so ermittelten FFT-Signals ist bestimmbar, ob eine deterministisch wiederkehrende Schwingung der Bodenplatte vorliegt. Dies kann erforderlich sein, da die Schwingung vom Boden und dessen Verdichtung abhängig ist.
Die Ermittlung eines deterministischen Schwingungsverhaltens kann beispielsweise durch die Bestimmung des FFT-Signal-Wertes an der ersten Oberwelle der Erregerfrequenz erfolgen. Bei Überschreitung eines Grenzwertes durch diesen Wert, liegt eine deterministisch wiederkehrende Schwingung vor, sofern keine Überschreitungen von Grenzwerten an Frequenzen zwischen den Oberwellen vorliegen. Ist der Untergrund hingegen sehr weich, weist die Schwingung nur geringfügige Verzerrungen/Abweichungen im Hinblick auf eine rein harmonische Schwingung auf. Dies wäre beispielsweise durch eine Unterschreitung eines Grenzwerts an der ersten Oberwelle der Erregerfrequenz ermittelbar. So könnte bspw. visualisiert werden, dass ein wassergesättigter bindiger Boden mit diesem Arbeitsgerät nicht zu verdichten ist. Weiterhin lässt sich ein Boden ab einer bestimmten Verdichtung nicht weiter verdichten. Die Bodenplatte hat dann ein chaotisches Schwingungsverhalten. Dies ist dadurch ermittelbar, dass das FFT-Signal nicht nur für die Oberwellen Ausschläge anzeigt, sondern oberhalb und unterhalb (subharmonischer Bereich) der Erregerfrequenz auch bei anderen Frequenzen Grenzwerte überschritten werden.
Der Bediener kann nunmehr Informationen dahingehend erhalten, dass bei deterministischem Bewegungsverhalten ein absoluter Verdichtungskennwert, bei einem harmonischen Schwingungsverhalten eine Meldung über die Nicht-Verdichtbarkeit und bei chaotischem Schwingungsverhalten eine Meldung über das Erreichen der maximalen Verdichtung ausgegeben wird. Dabei ist die maximale Verdichtung aber nur diejenige, die mit der verwendeten Bodenverdichtungsvorrichtung erzielbar ist. Mit einer anderen Bodenverdichtungsvorrichtung kann gegebenenfalls eine weitere Verdichtung erzielt werden.
Gemäß einer Variante der Erfindung beschreibt die Korrelation einen Zusammenhang zwischen dem Wegsignal der Bodenplatte und dem absoluten Verdichtungskennwert in Form einer Korrelationskurve oder einer Korrelationstabelle oder einer Korrelationsfunktion.
Je nachdem in welcher Form die Korrelationsdaten hinterlegt sind, unterscheidet sich die Ermittlung des absoluten Verdichtungskennwertes durch die Messeinrichtung. Vorzugsweise wird bei dem Vorliegen einer Korrelationskurve das Wegsignal als Ordinatenwert eingesetzt und der zugehörige absolute Verdichtungskennwert der Abszisse ausgelesen.
Liegt hingegen eine Tabelle vor, so ist zunächst durch die Messeinrichtung festzustellen, welches Wegsignal der Tabelle am nächsten am übermittelten Wert liegt und anschließend der zugehörige absolute Verdichtungskennwert aus der Tabelle zu entnehmen. Dabei ist auch möglich, dass in der Tabelle Wegsignalbereiche mit zugeordneten absoluten Verdichtungskennwerten festgelegt sind. Hierdurch kann die Feststellung des nächstliegenden Tabellenwertes entfallen und der absolute Verdichtungskennwerte direkt ermittelt werden.
Ist eine Korrelationsfunktion in der Messeinrichtung hinterlegt, so wird das Wegsignal in die Funktion eingesetzt und der absolute Verdichtungskennwert berechnet.
In einer anderen Variante der Erfindung beschreibt die Korrelation einen Zusammenhang zwischen dem Wegsignal der Bodenplatte, dem absoluten Verdichtungskennwert und der Phasenverschiebung zwischen Einzelerregern in Form einer Korrelationsebene oder einer Korrelationstabelle oder einer Korrelationsfunktion, wobei die Einzelerreger Bestandteil des Schwingungserregers sind. Die Phasenverschiebung kann hierbei durch die Messeinrichtung mithilfe eines weiteren Sensors oder aber einer Stellung des Bedienhebels bestimmt werden. Sie kann auch eine einfache Information wie Vorwärtsfahrt, Rückwärtsfahrt oder Stillstand sein.
Je nach der hinterlegten Form der Korrelationsdaten, unterscheidet sich die Ermittlung des absoluten Verdichtungskennwertes wiederum. Vorzugsweise wird bei dem Vorliegen einer Korrelationsebene das Wegsignal als Ordinatenwert eingesetzt, die Phasenverschiebung als Applikatenwert eingesetzt und der zugehörige absolute Verdichtungskennwert der Abszisse ausgelesen.
Liegt hingegen eine Tabelle vor, so ist vorzugsweise zunächst durch die Messeinrichtung festzustellen, welche Phasenverschiebung vorliegt und anhand dieser der zugehörige Tabellenabschnitt auszuwählen. Anschließend wird von der Messeinrichtung festgestellt welches Wegsignal der Tabelle am nächsten am übermittelten Wert liegt und anschließend der zugehörige absolute Verdichtungskennwert aus der Tabelle entnommen. Dabei ist auch möglich, dass in der Tabelle Wegsignalbereiche festgelegt sind, denen absolute Verdichtungskennwerte zugeordnet werden. Hierdurch könnte die Feststellung des nächstliegenden Tabellenwerts entfallen.
Ist eine Korrelationsfunktion in der Messeinrichtung hinterlegt, so werden die Phasenverschiebung und das Wegsignal in die Funktion eingesetzt und der absolute Verdichtungskennwert berechnet.
Die Auswahl der Korrelationsform hängt im Wesentlichen vom Schwingverhalten der Bodenplatte ab. Durch die richtige Auswahl der Form ist gewährleistet, dass die ermittelten absoluten Verdichtungskennwerte möglichst exakt sind bei gleichzeitig geringem Ermittlungsaufwand. Wesentlicher Vorteil der unterschiedlichen Korrelationsformen ist die Anpassbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens an Bodenverdichtungsvorrichtungen mit unterschiedlichem Schwingungsverhalten.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der absolute Verdichtungskennwert vom Betrag dem Wert eines dynamischen Verformungsmoduls E_vd entspricht und sich die Korrelation aus Vergleichsversuchen zwischen der Bodenverdichtungsvorrichtung und einem dynamischen Lastplattendruckversuch ergibt. Ein derartiger dynamischer Lastplattendruckversuch ist unter anderem in der technischen Prüfvorschrift für Boden und Fels im Straßenbau TP BF-StB, Teil B 8.3 (2003) beschrieben. Der absolute Verdichtungskennwert stellt somit eine Näherung an den Verformungsmodul E_vd dar. Dies ermöglicht, dass der absolute Verdichtungskennwert ohne Umrechnung mit dem Verformungsmodul E_vd verglichen werden kann, welcher ein anerkannter und weit verbreiteter Kennwert zur Beurteilung der Tragfähigkeit des Bodens ist. Die Einheit des ermittelten absoluten Verdichtungskennwerts wäre somit MN/m².
Die Vergleichsversuche sind vorzugsweise derart durchzuführen, dass an einem Boden bestimmter Zusammensetzung eine Messung mit dem dynamischen Lastplattendruckversuch erfolgt und der absolute Verdichtungskennwert festgehalten wird. Davor oder danach erfolgt eine Aktivierung der Bodenverdichtungsvorrichtung auf einem Boden gleicher Eigenschaft und die vertikalen Beschleunigungen der Bodenplatte werden dokumentiert. Nach einer Überführung von diesen in ein Wegsignal, wird diesem anschließend der absolute Verdichtungskennwert des Lastplattendruckversuchs zugeordnet. Die Beschleunigungen bzw. das zugehörige Wegsignal verändert sich mit zunehmender Verdichtung. Bei einem deterministischen Schwingungsverhalten besteht somit ein Zusammenhang zwischen diesen beiden Größen.
Sofern sich die Beschleunigungen bei unterschiedlichen Phasenverschiebungen der Einzelerreger unterscheiden, können die Beschleunigungen in Abhängigkeit von diesen dokumentiert werden.
Hieraus könnte eine Tabelle resultieren, in der den Wegsignalen ein absoluter Verdichtungskennwert zugeordnet ist. Die Messergebnisse können in ein Diagramm eingetragen werden, auf dessen Abszisse das Wegsignal und auf dessen Ordinate der absolute Verdichtungskennwert dargestellt sind. Die Messwerte bilden in diesem Diagramm eine Punktwolke. Zum Beispiel kann durch Approximation oder Ausgleichsrechnung eine mathematische Funktion durch die Punktwolke der Messwerte gelegt werden und als Graph dargestellt werden. Es ist jedoch auch möglich durch grafische Annäherungen einen Graph in dem Diagramm durch die Punktwolke zu legen.
Sofern eine phasenverschiebungsabhängige Korrelation erstellt werden soll, tritt als dritte Dimension die Phasenverschiebung auf einer Applikate hinzu. Die Punktwolke ist dann dreidimensional und es kann eine Ebenenfunktion durch Approximation oder Ausgleichsrechnung berechnet werden. Alternativ ist wiederum auch eine grafische Annäherung einer Ebene an die Punktwolke in dem dreidimensionalen Diagramm möglich.
In einer weiteren Version der Erfindung ermittelt die Messeinrichtung das Wegsignal der Bodenplatte durch zweifache Integration der Beschleunigungen der Bodenplatte. Insbesondere erfolgt die Integration nach der Zeit. Dieser Verfahrensschritt ermöglicht es, das Wegsignal zu bestimmen, ohne zusätzliche Bauteile einsetzen zu müssen. Es ergeben sich somit keine zusätzlichen Fertigungskosten und geringe Entwicklungskosten.
Eine andere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die erfassten Beschleunigungen der Bodenplatte oder das Wegsignal der Bodenplatte in Signalsequenzen mit bestimmter Länge unterteilt werden, vorzugsweise in Signalsequenzen einer bestimmten Zeitlänge und/oder einer bestimmten Anzahl an Amplituden.
Vorteilhaft hierbei ist, dass keine kontinuierliche Ermittlung der absoluten Verdichtung stattfindet, sondern diese in einem Takt erfolgt. Hierdurch verringert sich die Rechenleistung der Messeinrichtung, die somit preiswerter auslegbar ist. Außerdem wird durch die getaktete Ermittlung verhindert, dass der absolute Verdichtungskennwert übermäßig stark schwankt. Die in der Sequenz gewonnen Daten können gemittelt werden, sodass die Qualität der hiermit ermittelten absoluten Verdichtungskennwerte besser ist. Weiterhin bekommt der Bediener jeden Wert für die Dauer des Taktfensters angezeigt. Der Wert ist somit an einem Display ablesbar, ohne dass dieser springt und sich der Bediener selbst einen Mittelwert aus den angezeigten schwankenden Werten bilden muss.
Zur Steigerung der Qualität der ermittelten absoluten Verdichtungskennwerte, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Wegsignal der Bodenplatte in der Messeinrichtung einen Hochpassfilter durchläuft, der vorzugsweise ein Hochpassfilter 4. Ordnung ist. Dabei könnte es sich beispielsweise um einen Butterworth-Filter handeln. Mit einem derartigen Filter werden Störfrequenzen entfernt. Somit steigt die Qualität der ermittelten absoluten Verdichtungskennwerte, ohne dass zusätzliche Bauteile erforderlich wären. Komplexität und Herstellungskosten der Bodenverdichtungsvorrichtung bleiben gering.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht weiterhin, dass Integrationsfehler des Wegsignals der Bodenplatte aus der Signalsequenz herausgeschnitten werden. Dies sind insbesondere die ersten Amplituden A einer Sequenz. Dabei kann Pauschal eine bestimmte Anzahl an Amplituden entfernt werden, oder aber ein Integrationsfehler wird anhand von Kriterien definiert. Durch diesen Schritt wird die Qualität des mit einem derartigen Wegsignal ermittelten absoluten Kennwerts weiter gesteigert. Dieser Verfahrensschritt ist durch die Messeinrichtung vornehmbar und zusätzliche Bauteile sind somit nicht erforderlich. Komplexität und Herstellungskosten der Bodenverdichtungsvorrichtung steigen somit nicht.
Weiterhin kann eine obere Hüllkurve der Signalsequenz des Wegsignals bestimmt werden und/oder eine untere Hüllkurve der Signalsequenz des Wegsignals. Beide Hüllkurven stellen ein vereinfachtes und gemitteltes Kriterium des Wegsignals dar, welches auf einfache Weise weiterverarbeitbar ist. Auch dieser Schritt erfordert keine weiteren Bauteile, sodass Komplexität und Herstellungskosten der Bodenverdichtungsvorrichtung nicht steigen.
Zusätzlich ist in einer Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass die Messeinrichtung ein arithmetisches Mittel der oberen Hüllkurve der Signalsequenz des Wegsignals und/oder ein arithmetisches Mittel der unteren Hüllkurve der Signalsequenz des Wegsignals bestimmt. Das Wegsignal einer Signalsequenz wird so durch einen einzigen oder zwei Werte beschrieben. Vorteilhaft ist insbesondere, dass sämtliche Störgrößen durch die Mittelung eliminiert werden und der Wert, bzw. die zwei Werte, eine möglichst einfache Korrelationsbildung erlauben, aus der im Anschluss auch sehr einfach die zugehörigen absoluten Verdichtungskennwerte ermittelbar sind. Der Verfahrensschritt der Ermittlung des arithmetischen Mittels kann vollständig durch die Messeinrichtung erfolgen, sodass keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind. Die Komplexität und die Herstellungskosten der Bodenverdichtungsvorrichtung steigen somit nicht.
In einer Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung den absoluten Verdichtungskennwert aus der Korrelation derart bestimmt, dass sie als Eingabewert das arithmetische Mittel der oberen Hüllkurve in die hinterlegte Korrelation eingibt und als Ergebnis den zugehörigen absoluten Verdichtungskennwert erhält. Bei einem derartigen Verfahren ist es nicht notwendig die untere Hüllkurve des Wegsignals zu bestimmen. Es kann somit ein Verfahrensschritt entfallen und es wird eine geringere Rechenleistung der Messeinrichtung benötigt.
In einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung den absoluten Verdichtungskennwert aus der Korrelation derart bestimmt, dass sie als Eingabewert das arithmetische Mittel der unteren Hüllkurve in die hinterlegte Korrelation eingibt und als Ergebnis den zugehörigen absoluten Verdichtungskennwert erhält. Bei einem derartigen Verfahren ist es nicht notwendig die obere Hüllkurve des Wegsignals zu bestimmen. Es kann somit ebenfalls ein Verfahrensschritt entfallen und es wird eine geringere Rechenleistung der Messeinrichtung benötigt.
Um einen qualitativ höherwertigen Kennwert für das Wegsignal zu erhalten, sieht das Verfahren optional vor, dass die Messeinrichtung den absoluten Verdichtungskennwert aus der Korrelation derart bestimmt, dass sie als Eingabewert die Summe aus dem Betrag des arithmetischen Mittels der oberen Hüllkurve und dem Betrag des arithmetischen Mittels der unteren Hüllkurve in die hinterlegte Korrelation eingibt und als Ergebnis den zugehörigen absoluten Verdichtungskennwert erhält. Durch das Delta zwischen unterem und oberem arithmetischen Mittel werden Fehler durch eine Verschiebung der Nulllage ausgeschlossen. Außerdem wird auf diese Weise das gesamte Wegsignal genauer dargestellt als bei einer Einzelbetrachtung des oberen oder des unteren arithmetischen Mittels. Da die Messeinrichtung diesen Verfahrensschritt durchführt, sind keine weiteren Bauteile erforderlich. Die Komplexität und die Herstellungskosten der Bodenverdichtungsvorrichtung steigen somit nicht und es wird eine sehr hohe Qualität des ermittelten absoluten Verdichtungskennwerts erreicht.
Ferner ist vorgesehen, dass der absolute Verdichtungskennwert einem Betreiber der Bodenverdichtungsvorrichtung derart verfügbar gemacht wird, dass er angezeigt und/oder gespeichert und/oder an externe Informationsträger übermittelt wird.
Aufgrund einer klar erkennbaren Anzeige werden mithin Nachverdichtungsarbeiten, Überverdichtungen oder Auflockerungen des bereits verdichteten Bodens zuverlässig vermieden. Die Anzeige des absoluten Verdichtungskennwertes ermöglicht es dem Betreiber, die Verdichtung dann abzubrechen, wenn ein bestimmter Wert erreicht ist oder aber keine weitere Verdichtung mit der Bodenverdichtungsvorrichtung erzielbar ist. Somit werden unnötige Überfahrten vermieden und Arbeits- und Maschinenkosten sowie die Durchführungsdauer verringert.
Durch eine Datenspeicherung ist eine Protokollierung der Verdichtung möglich, die zum Beispiel von den Personen genutzt werden können, die anschließende konventionelle Überprüfungen durchführen. Dabei ist es möglich, die Protokollierung der absoluten Verdichtungskennwerte um eine Positionsangabe zu ergänzen. Denkbar wäre hierbei der Einsatz eines GPS-Sensors. Die konventionellen Prüfmethoden könnten demzufolge an kritischen Positionen angewandt werden. Zudem könnte eine gezielte Nachbearbeitung bestimmter Baustellenbereiche erfolgen.
Eine Übermittlung der Daten an externe Informationsträger erhöht die Sicherheit der Datenspeicherung und diese sind einfach an erforderliche Stellen weiterleitbar, zum Beispiel an denjenigen, der anschließend die konventionellen Prüfmethoden durchführt. Außerdem ermöglicht es einem Vorgesetzten auf einfache Weise die Arbeitsleistung des Bedieners zu überwachen und korrigierend einzugreifen, sodass das Arbeitsergebnis verbessert wird.
Indem die Messeinrichtung eine Standardabweichung des absoluten Verdichtungskennwerts berechnet, könnte auch eine Qualitätszahl berechnet und an den Betreiber ausgegeben werden. Diese beschreibt die Gleichmäßigkeit der Verdichtung über die gesamte verdichtete Fläche.
Die Erfindung stellt somit ein wichtiges Element der Qualitätssicherung dar, das mit nur wenigen Mitteln bzw. Bauelementen aufgebaut und entsprechend kostengünstig zu realisieren ist und eine prozessintegrierte flächendeckende Ermittlung der Bodentragfähigkeit erlaubt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Messeinrichtung eine maximale obere Schrittlänge MoS und eine maximale untere Schrittlänge MuS hinterlegt werden. Es ist jedoch auch möglich nur eine Schrittlänge gemeinsam für die maximale obere Schrittlänge MoS und die maximale untere Schrittlänge MuS zu hinterlegen, sofern diese gleich groß sind. Zusätzlich wendet die Messeinrichtung einen Schrittfilter auf den ermittelten absoluten Verdichtungskennwert einer Signalsequenz an.
Dabei arbeitet der Schrittfilter vorzugsweise derart, dass der ermittelte absolute Verdichtungskennwert der Signalsequenz mit dem ermittelte absolute Verdichtungskennwert der vorhergehenden Signalsequenz minus der maximalen unteren Schrittlänge MuS überschrieben wird, wenn der ermittelte absolute Verdichtungskennwert der Signalsequenz kleiner ist als der ermittelte absolute Verdichtungskennwert der vorhergehenden Signalsequenz minus der maximalen unteren Schrittlänge MuS.
Außerdem arbeitet der Schrittfilter vorzugsweise derart, dass der ermittelte absolute Verdichtungskennwert der Signalsequenz mit dem ermittelte absolute Verdichtungskennwert der vorhergehenden Signalsequenz plus der maximalen oberen Schrittlänge MoS überschrieben wird, wenn der ermittelte absolute Verdichtungskennwert der Signalsequenz größer ist als der ermittelte absolute Verdichtungskennwert der vorhergehenden Signalsequenz plus der maximalen oberen Schrittlänge MoS.
Dieser Schrittfilter dient im Wesentlichen dazu, dass Signalsequenzen mit auffälligen Werten für den absoluten Verdichtungskennwert korrigiert werden und die angezeigten und/oder protokollierten Werte keine zu großen Sprünge durchführen.
Fehlerhafte Signalsequenzen werden so nicht voll berücksichtigt und der Wert der absoluten Verdichtung nur um die obere oder untere Schrittlänge angepasst. Ist die Signalsequenz hingegen nicht fehlerhaft, wird der ermittelte absolute Verdichtungskennwert mit jeder Signalsequenz um die Schrittlänge verändert, bis er dem tatsächlich vorliegenden Verdichtungskennwert entspricht. Der ermittelte absolute Verdichtungskennwert wird somit gedämpft angepasst. Dabei ist die Schrittlänge vorzugsweise derart auf die Phasenverschiebung der Einzelerreger auszulegen, dass der ermittelte Wert spätestens innerhalb einer Bewegungsstrecke von einer Bodenplattenlänge an einen deutlich abweichenden absoluten Verdichtungskennwert anpassbar ist.
Hierdurch wird verhindert, dass der ermittelte und dem Bediener verfügbar gemachte absolute Verdichtungskennwert schlagartig springt. Trotzdem erfasst das Verfahren schnell genug, wenn sich der Verdichtungskennwert eines Untergrunds entscheidend ändert. Insbesondere ist so vermeidbar, dass die Anzeigewerte so stark schwanken, dass der Bediener verwirrt wird und Fehlschlüsse zieht, die zum Beispiel zu einer erneuten nicht notwendigen Überfahrt führen können. Hierdurch fallen geringe Arbeits- und Maschinenkosten an. Da die Messeinrichtung diesen Verfahrensschritt durchführt, sind keine weiteren Bauteile erforderlich. Die Komplexität und die Herstellungskosten der Bodenverdichtungsvorrichtung steigen somit nicht.
Besondere Vorteile des Verfahrens ergeben sich, wenn die ermittelten absoluten Verdichtungskennwerte zu einer Steuerung/Regelung der Bodenverdichtungsvorrichtung genutzt werden. Stellgrößen zur Optimierung der Verdichtung könnten zum Beispiel die Geschwindigkeit der Bodenverdichtungsvorrichtung, eine variable Unwuchtmasse oder eine variable Rotationsgeschwindigkeit der Unwuchtmassen sein. Ferner wäre mithilfe einer Positionssteuerung auch eine automatisierte Verdichtung einer bestimmten Fläche möglich. Die Positionsangaben könnten zum Beispiel durch GPS-Sender oder durch in den Boden gesteckte und eine Fläche eingrenzende Sender erfolgen. Hierdurch kann das Verdichtungsergebnis verbessert werden und es sind deutliche Vorteile hinsichtlich der Arbeits- und Maschinenkosten erzielbar.
Erfindungsgemäß ist auch eine Bodenverdichtungsvorrichtung zum Verdichten von Untergründen und Baustoffen mit einem Schwingungserreger vorgesehen, wobei der Schwingungserreger eine Bodenplatte zum Verdichten des Untergrunds oder Baustoffs in eine gerichtete Schwingung versetzt. Dabei erfasst wenigstens ein Sensor die Beschleunigungen der Bodenplatte. Gemäß der Erfindung ermittelt eine Messeinrichtung eine Bodeneigenschaft gemäß einer Ausführungsform des oben beschriebenen Verfahrens.
Der Schwingungserreger kann dabei aus einem oder mehreren Einzelerregern bestehen. Als Einzelerreger eignen sich beispielsweise rotierende Wellen mit Unwuchtmassen.
Vorteilhaft an erfindungsgemäßer Bodenverdichtungsvorrichtung ist die Beschränkung auf nur einen notwendigen Sensor. Hierdurch ist die Komplexität der Vorrichtung gering und die notwendigen konstruktiven Gestaltungsmerkmale einfach umzusetzbar. Somit sind die Entwicklungs- und Fertigungskosten niedrig.
Die erfindungsgemäß ermittelten absoluten Verdichtungskennwerte stellen weiterhin eine sehr gute Näherung dar, die insbesondere nicht durch zahlreiche Approximationen in einer direkten Berechnung des absoluten Verdichtungskennwerts verfälscht sind. Der Rückschluss vom Schwingungsverhalten der Bodenplatte auf den absoluten Verdichtungskennwert erfordert zwar die Erstellung einer Korrelation für jeden Maschinentyp, dafür können jedoch aufwendige Berechnungsverfahren zur direkten Bestimmung des Verdichtungskennwertes entfallen, für die Messdaten und somit Sensoren in allen Freiheitsgraden notwendig sind. Neben der geringen Anzahl an Sensoren ist auch die deutlich reduzierte Rechenleistung von Vorteil, die es ermöglicht eine preiswerte Messeinrichtung zu verwenden.
Mit der erfindungsgemäßen Bodenverdichtungsvorrichtung werden zuverlässig eine Verdichtungszunahme, Schwachstellen und Inhomogenitäten der zu verdichtenden Untergründe bzw. Baustoffe erfasst. Weiterhin ist es möglich, Abweichungen von der Betriebsfrequenz zu erfassen. Der Bediener benötigt keine besonderen Vor- oder Fachkenntnisse. Er kann problemlos erkennen ob durch eine Überfahrt eine Verdichtungszunahme erzielt wird. Außerdem erkennt er Schwachstellen und Inhomogenitäten daran, dass der absolute Verdichtungskennwert abfällt. Ist keine Verdichtungszunahme mehr erzielbar, kann der Bediener die Verdichtung beenden. Zusätzlich kann er sie ebenfalls beenden wenn der geforderte absolute Verdichtungskennwert erreicht ist. Hierdurch werden überflüssige Überfahrten vermieden und die Arbeits- und Maschinenkosten deutlich gesenkt.
Die von der Messeinrichtung ermittelten absoluten Verdichtungskennwerte liefern auch einen zuverlässigen Anhaltspunkt für nachfolgende konventionelle Prüfmethoden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass erst durch diese eine nicht ausreichende Verdichtung erkannt wird. Damit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass eine erneute Verdichtung und ein erneute konventionelle Überprüfung folgen müssen. Überflüssige Überfahrten werden vermieden und die Arbeits- und Maschinenkosten deutlich gesenkt.
Ferner sind die nachfolgenden konventionellen Prüfmethoden auch in die Verdichtungszone legbar, die bei der Verdichtung als Schwachstelle identifiziert wurde. Hierdurch kann eine Freigabe einer nicht ausreichend verdichteten Fläche ausgeschlossen werden, denn die gewählte Messstelle ist repräsentativ für die gesamte Fläche. Somit steigt die Qualität der nachfolgenden konventionellen Überprüfungen. Aufgrund des Langzeitverhaltens setzungsempfindlicher Böden, kann eine Setzung zwar nicht gänzlich ausgeschlossen werden, eine Qualitativ hochwertige Verdichtung durch ein hochwertiges verfahrensgemäßes Kontrollinstrument minimiert die zu erwartenden Setzungen jedoch. Schäden an Bebauungen durch eine Bodensetzung, insbesondere eine ungleichmäßige Bodensetzung, werden so nachhaltig vermieden.
Die Vorrichtung vermeidet zuverlässig Nachverdichtungsarbeiten, Überverdichtungen oder Auflockerungen des bereits verdichteten Bodens. Die in der Bodenverdichtungsvorrichtung integrierte Messeinrichtung ermöglicht vielmehr eine nahezu vollständige Überwachung der erdbaulichen Arbeiten. Die Erfindung stellt somit ein wichtiges Werkzeug für die Qualitätssicherung zur Verfügung, das mit nur wenigen Mitteln bzw. Bauelementen aufgebaut und entsprechend kostengünstig zu realisieren ist und eine prozessintegrierte flächendeckende Ermittlung der Bodentragfähigkeit erlaubt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 Eine Bodenverdichtungsvorrichtung;
2 ein Diagramm eines vertikalen Beschleunigungssignals;
3 ein Diagramm eines Wegsignals mit Integrationsfehler;
4 ein Diagramm eines Wegsignals ohne Integrationsfehler und Hüllkurven sowie arithmetischen Mittelwerten der Hüllkurven; und
5 eine Korrelation.
1 zeigt eine Bodenverdichtungsvorrichtung 1, die zu einer Bodenverdichtung eines Untergrunds 6 geeignet ist und sich mit einer Bewegungsgeschwindigkeit v fortbewegt. Weiterhin hat sie eine durch einen Schwingungserreger 3 schwingend beaufschlagte Bodenplatte 2, auf der ein Sensor 4 positioniert ist. Der Schwingungserreger 3 besteht dabei aus zwei Einzelerregern 7, die als rotierende Wellen mit Unwuchtmassen ausgeführt sind. Die Bewegungsgeschwindigkeit v hängt mit der Phasenverschiebung dieser zwei Einzelerreger 7 zusammen. Weiterhin ist in der Bodenverdichtungsvorrichtung 1 eine Messeinrichtung 5 angeordnet.
Der Sensor 4 erfasst die Beschleunigungen a der Bodenplatte 2 in vertikaler Richtung und übermittelt diese an die Messeinrichtung 5. Diese ermittelt basierend auf den Beschleunigungen a der Bodenplatte 2 absolute Verdichtungskennwerte während der Bodenverdichtung und macht diese verfügbar.
In 2 ist ein Diagramm eines vertikalen Beschleunigungssignals dargestellt. Auf der Abszisse 50 ist eine Zeit in Sekunden [s] und auf der Ordinate 51 eine Beschleunigung in Meter pro Sekunde zum Quadrat [m/s²] abgebildet. Von einem Sensor erfasste vertikale Beschleunigungen werden in dem Diagramm als Beschleunigungen a der Bodenplatte in einem Graph dargestellt. Eine bestimmte Zeitlänge T der Beschleunigungen a der Bodenplatte bildet eine Signalsequenz 40. Unmittelbar vor der Signalsequenz 40 befindet sich eine vorhergehende Signalsequenz 39.
Der in 3 in einem Diagramm gezeigte Graph, ist ein Wegsignal s einer Bodenplatte. Auf der Abszisse 50 ist eine Zeit in Sekunden [s] und auf der Ordinate 51 ein Wegsignal s der Bodenplatte in Metern [m] abgebildet. Eine Signalsequenz 40 des Wegsignals s ergibt sich aus einer bestimmten Amplitudenanzahl Z von Amplituden A des Wegsignals s der Bodenplatte. Die ersten beiden Amplituden A weisen einen Integrationsfehler 42 des Wegsignals s auf.
Ein derartiges Wegsignal s der Bodenplatte kann durch zweifache Integration eines Beschleunigungssignals nach der Zeit und anschließender Hochpassfilterung gewonnen werden.
4 zeigt ein Diagramm eines Wegsignals s. Auf der Abszisse 50 ist eine Zeit in Sekunden [s] und auf der Ordinate 51 ein Wegsignal s einer Bodenplatte in Metern [m] abgebildet. Eine Signalsequenz 40 des Wegsignals s ergibt sich aus einer bestimmten Amplitudenanzahl Z abzüglich der einen Integrationsfehler des Wegsignals s aufweisenden Amplituden A. Das Wegsignal s der Bodenplatte wird von einer oberen Hüllkurve 43 und einer unteren Hüllkurve 44 eingehüllt. Die obere Hüllkurve 43 wird derart gebildet, dass sie die Maximalstellen jeder Amplitude A miteinander verbindet. Die untere Hüllkurve 44 wird derart gebildet, dass sie die Minimalstellen jeder Amplitude A miteinander verbindet. Wie dargestellt, werden jedoch die Maximalstellen der Oberwellen nicht mit berücksichtigt, sondern ausschließlich die der Erregerfrequenz.
Aus der oberen Hüllkurve 43 ergibt sich ein arithmetisches Mittel 45 der oberen Hüllkurve 43 und aus der unteren Hüllkurve 44 ergibt sich ein arithmetisches Mittel 45 der unteren Hüllkurve 44.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Korrelation 30 dargestellt. Auf der Abszisse 50 eines Diagramms ist ein Schwingweg in Metern [m] und auf der Ordinate 51 eine Bodeneigenschaft 20 abgebildet. Die Bodeneigenschaft 20 ist ein absoluter Verdichtungskennwert 21 mit der Einheit Meganewton pro Quadratmeter [MN/m²]. Ein in dem Diagramm dargestellter Graph ist eine Korrelationskurve 31, die sich durch Approximation, insbesondere durch Ausgleichsrechnung, aus einer Punktwolke aus mit einer Bodenverdichtungsvorrichtung ermittelten Versuchswerten 22 ergibt. Diese Korrelationskurve 31 entspricht einer Korrelationsfunktion 34.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Bodenverdichtungsvorrichtung
2: Bodenplatte
3: Schwingungserreger
4: Sensor
5: Messeinrichtung
6: Untergrund
7: Einzelerreger
a: Beschleunigungen
s: Wegsignal
v: Bewegungsgeschwindigkeit
20: Bodeneigenschaft
21: absoluter Verdichtungskennwert
22: Versuchswert
30: Korrelation
31: Korrelationskurve
34: Korrelationsfunktion
39: vorhergehende Signalsequenz
40: Signalsequenz
42: Integrationsfehler
43: obere Hüllkurve
44: untere Hüllkurve
45: arithmetisches Mittel
50: Abszisse
51: Ordinate
A: Amplitude
T: Zeitlänge
Z: Amplitudenanzahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10028949 A1 [0006]
DE 202004015141 U1 [0010]
DE 102006008266 A1 [0012, 0012, 0013, 0020, 0021]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 18134 [0003]
Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau TP BF-StB, Teil B 8.3 (2003) [0003]
technischen Prüfvorschrift für Boden und Fels im Straßenbau TP BF-StB, Teil B 8.3 (2003) [0052]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Bodeneigenschaft (20) mittels einer Bodenverdichtungsvorrichtung (1), die zum Verdichten von Untergründen (6) und Baustoffen geeignet ist und die eine schwingend beaufschlagte Bodenplatte (2) zur Bodenverdichtung aufweist, wobei die Bodenplatte (2) insbesondere von einem motorisch angetriebenen Schwingungserreger (3) in eine gerichtete Schwingung versetzt wird, mit wenigstens einem Sensor (4), der die Beschleunigungen der Bodenplatte (2) in vertikaler Richtung erfasst und an eine Messeinrichtung (5) übermittelt, die basierend auf den Beschleunigungen der Bodenplatte (2) absolute Verdichtungskennwerte (21) während der Bodenverdichtung ermittelt und verfügbar macht, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Einrichtungsbetrieb der Bodenverdichtungsvorrichtung (1) eine Korrelation (30) zwischen dem Schwingungsverhalten, vorzugsweise den Beschleunigungen der Bodenplatte (2) oder eines hieraus ermittelten Wegsignals der Bodenplatte (2), und den absoluten Verdichtungskennwerten (21) erstellt und in der Messeinrichtung (5) hinterlegt wird, und dass die Messeinrichtung (5) während des Verdichtungsbetriebs die Beschleunigungen der Bodenplatte (2) ermittelt und derart transformiert, dass diese als Eingabewerte für die hinterlegte Korrelation (30) geeignet sind, und dass die Messeinrichtung (5) mittels des Eingabewerts und der Korrelation (30) einen absoluten Verdichtungskennwert (21) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenverdichtungsvorrichtung (1) derart ausgestaltet ist, dass sich die Beschleunigungen der Bodenplatte (2) deterministisch verhalten.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) eine Schnelle Fourier-Transformation (FFT) durchführt und das deterministische Verhalten der Beschleunigungen der Bodenplatte (2) überwacht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation (30) – einen Zusammenhang zwischen dem Wegsignal der Bodenplatte (2) und dem absoluten Verdichtungskennwert (21) in Form einer Korrelationskurve (31) oder einer Korrelationstabelle KT oder einer Korrelationsfunktion (34) beschreibt, oder – einen Zusammenhang zwischen dem Wegsignal der Bodenplatte (2), dem absoluten Verdichtungskennwert (21) und einer Phasenverschiebung zwischen Einzelerregern 7 in Form einer Korrelationsebene KE oder einer Korrelationstabelle KT oder einer Korrelationsfunktion (34) beschreibt, wobei die Einzelerreger 7 Bestandteil des Schwingungserregers 3 sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Verdichtungskennwert (21) vom Betrag dem Wert eines dynamischen Verformungsmoduls E_vd entspricht und sich die Korrelation (30) aus Vergleichsversuchen zwischen der Bodenverdichtungsvorrichtung (1) und einem dynamischen Lastplattendruckversuch ergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) das Wegsignal der Bodenplatte (2) durch zweifache Integration der Beschleunigungen der Bodenplatte (2) ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Beschleunigungen der Bodenplatte (2) oder das Wegsignal der Bodenplatte (2) in Signalsequenzen (40) mit bestimmter Länge unterteilt werden, vorzugsweise in Signalsequenzen (40) einer bestimmten Zeitlänge (T) und/oder einer bestimmten Anzahl (Z) an Amplituden (A).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegsignal der Bodenplatte (2) in der Messeinrichtung (5) einen Hochpassfilter durchläuft, vorzugsweise einen Hochpassfilter 4. Ordnung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Integrationsfehler des Wegsignals der Bodenplatte (2) aus der Signalsequenz (40) herausgeschnitten werden, insbesondere die ersten Amplituden (A).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Hüllkurven (43) der Signalsequenz (40) des Wegsignals s bestimmt wird und/oder eine untere Hüllkurve (44) der Signalsequenz (40) des Wegsignals s.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) ein arithmetisches Mittel (45) der oberen Hüllkurve (43) der Signalsequenz (40) des Wegsignals s und/oder ein arithmetisches Mittel (45) der unteren Hüllkurve (44) der Signalsequenz (40) des Wegsignals s bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) den absoluten Verdichtungskennwert (21) aus der Korrelation (30) derart bestimmt, dass sie als Eingabewert das arithmetische Mittel (45) der oberen Hüllkurve (43) in die hinterlegte Korrelation (30) eingibt und als Ergebnis den zugehörigen absoluten Verdichtungskennwert (21) erhält.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) den absoluten Verdichtungskennwert (21) aus der Korrelation (30) derart bestimmt, dass sie als Eingabewert das arithmetische Mittel (45) der unteren Hüllkurve (44) in die hinterlegte Korrelation (30) eingibt und als Ergebnis den zugehörigen absoluten Verdichtungskennwert (21) erhält.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) den absoluten Verdichtungskennwert (21) aus der Korrelation (30) derart bestimmt, dass sie als Eingabewert die Summe aus dem Betrag des arithmetischen Mittels (45) der oberen Hüllkurve (43) und dem Betrag des arithmetischen Mittels (45) der unteren Hüllkurve (44) in die hinterlegte Korrelation (30) eingibt und als Ergebnis den zugehörigen absoluten Verdichtungskennwert (21) erhält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der absolute Verdichtungskennwert (21) einem Betreiber der Bodenverdichtungsvorrichtung (1) derart verfügbar gemacht wird, dass er angezeigt und/oder gespeichert und/oder an externe Informationsträger übermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Messeinrichtung (5) eine maximale obere Schrittlänge MoS und eine maximale untere Schrittlänge MuS hinterlegt werden, wobei auch nur eine Schrittlänge gemeinsam für die maximale obere Schrittlänge MoS und die maximale untere Schrittlänge MuS hinterlegt werden kann, sofern diese gleich groß sind, – und wobei die Messeinrichtung (5) einen Schrittfilter auf den ermittelten absoluten Verdichtungskennwert (21) einer Signalsequenz (40) anwendet, der vorzugsweise derart arbeitet, dass – der ermittelte absolute Verdichtungskennwert (21) der Signalsequenz (40) mit dem ermittelten absoluten Verdichtungskennwert (21) der vorhergehenden Signalsequenz (39) minus der maximalen unteren Schrittlänge MuS überschrieben wird, wenn der ermittelte absolute Verdichtungskennwert (21) der Signalsequenz (40) kleiner ist als der ermittelte absolute Verdichtungskennwert (21) der vorhergehenden Signalsequenz (39) minus der maximalen unteren Schrittlänge MuS, oder – der ermittelte absolute Verdichtungskennwert (21) der Signalsequenz (40) mit dem ermittelten absoluten Verdichtungskennwert (21) der vorhergehenden Signalsequenz (40) plus der maximalen oberen Schrittlänge MoS überschrieben wird, wenn der ermittelte absolute Verdichtungskennwert (21) der Signalsequenz (40) größer ist als der ermittelte absolute Verdichtungskennwert (21) der vorhergehenden Signalsequenz (39) plus der maximalen oberen Schrittlänge MoS.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten absolute Verdichtungskennwerte (21) zu einer Steuerung/Regelung der Bodenverdichtungsvorrichtung (1) genutzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) nur in einer Endstellung der Fahrtrichtung absolute Verdichtungskennwerte (21) ermittelt.
Bodenverdichtungsvorrichtung (1) zum Verdichten von Untergründen (6) und Baustoffen, – mit einem Schwingungserreger (3), – mit einer von dem Schwingungserreger (3) in eine gerichtete Schwingung versetzten Bodenplatte (2) zum Verdichten des Untergrunds (6) oder Baustoffs, – mit wenigstens einem Sensor (4) zum Erfassen der Beschleunigungen der Bodenplatte (2) – und mit einer Messeinrichtung (5) zum Bestimmen einer Bodeneigenschaft (20) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18.