DE102013226121B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung von Sanden und Kiesen nach DE 10 2012 223 992 B3, umfassend ein säulenförmiges Verdichtungswerkzeug (2) und eine Vibrationsvorrichtung (3), wobei das Verdichtungswerkzeug (2) vertikal in einen zu verdichtenden Bodenbereich abzusenken ist, welcher durch Vibrationen des Verdichtungswerkzeugs (2) zu verdichten ist, wobei das Verdichtungswerkzeug (2) zumindest an einem in den Bodenbereich abzusenkenden unteren Ende im Wesentlichen verschlossen ist und die Vibrationsvorrichtung (3) an einem oberen Ende auf das Verdichtungswerkzeug (2) aufsetzbar ist, wobei das Verdichtungswerkzeug (2) durch die Vibrationsvorrichtung (3) nur in vertikaler Richtung bewegbar ist, wobei das Verdichtungswerkzeug (2) an seinem unteren Ende einen Werkzeugkopf (2.1) aufweist, an welchem zumindest ein Aufreißwerkzeug (2.1.2) angeordnet ist, welches um eine horizontale Schwenkachse (S) in eine erste Position und in eine zweite Position schwenkbar ist, wobei es in der ersten Position im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug (2) ausgerichtet ist und in der zweiten Position im Wesentlichen radial zum Verdichtungswerkzeug (2) ausgerichtet ist und einen Durchmesser des Werkzeugkopfes (2.1) radial überragt, und wobei das zumindest eine Aufreißwerkzeug (2.1.2) aus Stahl ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung und ein Verfahren zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung.
• Aus dem Stand der Technik sind zur Bodenverdichtung die Rütteldruckverdichtung und die Rüttelstopfverdichtung bekannt. Bei der Rütteldruckverdichtung wird ein torpedoförmiger, in horizontaler Ebene schwingender Elektro-Tiefenrüttler eingesetzt, der entsprechend der Verdichtungstiefe über Aufsatzrohre verlängert werden kann. Um die horizontale Schwingung des Rüttlers zu erzeugen, befinden sich ein Elektromotor und eine von diesem angetriebene Unwucht innerhalb des torpedoförmigen Rüttlers. Zum Abteufen des Rüttlers wird als Spülhilfe Wasser zur Rüttlerspitze gefördert. Beim anschließenden Verdichtungsvorgang wird die Zuflussmenge reduziert und an der Oberfläche rolliges Bodenmaterial in den sich bildenden Verdichtungstrichter eingefüllt.
• Die Rüttelstopfverdichtung wird bei bindigen, auch wassergesättigten Böden angewandt. Bei diesem Verfahren wird über einen Vorratsbehälter, der mit Druckluft beaufschlagt werden kann, Schotter bis an die Rüttelspitze des Tiefenrüttlers geleitet. Die Druckluft dient als Spülhilfe für den Schotter. Der Vorratsbehälter mit dem Einfüll- und Verriegelungssystem wird als Schleuse bezeichnet. Grobkörnige Anschüttungen aus Bauschutt, Schlacke oder Abraum sind weitere Einsatzbereiche des Rüttelstopfverfahrens.
• In der DE 10 2010 022 661 A1 , deren vollständiger Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird, werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung beschrieben. Im Verfahren wird ein säulenförmiges Verdichtungswerkzeug vertikal in einen zu verdichtenden Bodenbereich abgesenkt und mittels einer Vibrationsvorrichtung werden Vibrationen im Verdichtungswerkzeug erzeugt, um den Bodenbereich zu verdichten. Durch die Vibrationsvorrichtung, welche auf ein oberes Ende des Verdichtungswerkzeugs aufgesetzt wird, werden vertikale Vibrationsbewegungen des Verdichtungswerkzeugs erzeugt. Das Verdichtungswerkzeug wird durch sein Eigengewicht und durch die Vibrationsbewegungen auf eine vorgegebene Sollversenktiefe abgesenkt, danach zumindest einmal um eine vorgegebene Hubhöhe angehoben und durch sein Eigengewicht und die Vibrationsbewegungen wieder soweit erneut abgesenkt, bis dem erneuten Absenken ein vorgegebener Widerstand entgegenwirkt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung anzugeben.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung von Sanden und Kiesen umfasst ein säulenförmiges Verdichtungswerkzeug und eine Vibrationsvorrichtung, wobei das Verdichtungswerkzeug vertikal in einen zu verdichtenden Bodenbereich abzusenken ist, welcher durch Vibrationen des Verdichtungswerkzeugs zu verdichten ist, wobei das Verdichtungswerkzeug zumindest an einem in den Bodenbereich abzusenkenden unteren Ende im Wesentlichen verschlossen ist und die Vibrationsvorrichtung an einem oberen Ende auf das Verdichtungswerkzeug aufsetzbar ist, wobei das Verdichtungswerkzeug durch die Vibrationsvorrichtung vorzugsweise nur in vertikaler Richtung bewegbar ist.
• Erfindungsgemäß weist das Verdichtungswerkzeug an seinem unteren Ende einen Werkzeugkopf auf, an welchem zumindest ein Aufreißwerkzeug angeordnet ist. Dieses zumindest eine Aufreißwerkzeug ist um eine horizontale Schwenkachse in eine erste Position und in eine zweite Position schwenkbar. In der ersten Position ist das zumindest eine Aufreißwerkzeug im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet, d. h. es ist nach oben geschwenkt und an das Verdichtungswerkzeug angeklappt, so dass ein von der Schwenkachse abgewandtes Ende des zumindest einen Aufreißwerkzeugs über der Schwenkachse und nahe am Verdichtungswerkzeug positioniert ist. Das zumindest eine Aufreißwerkzeug ist dabei derart positioniert, dass es den Durchmesser des Werkzeugkopfes nicht radial überragt, d. h. seitlich nicht über den Werkzeugkopf übersteht. Unter dem Begriff der im Wesentlichen parallelen Ausrichtung des zumindest einen Aufreißwerkzeugs bezüglich des Verdichtungswerkzeugs in dieser ersten Position ist dabei zu verstehen, dass das zumindest eine Aufreißwerkzeug in der ersten Position in einem spitzen Winkel von vorzugsweise maximal 45° zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet ist, wobei dieser Winkel nach oben geöffnet ist, d. h. das zumindest eine Aufreißwerkzeug ist nach oben an das Verdichtungswerkzeug angeklappt. In der zweiten Position ist das zumindest eine Aufreißwerkzeug im Wesentlichen radial zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet und überragt einen Durchmesser des Werkzeugkopfes radial, d. h. es ragt seitlich über den Werkzeugkopf hinaus. Das zumindest eine Aufreißwerkzeug ist aus Stahl ausgebildet, insbesondere aus Stahl geschmiedet oder aus einem Stahlblech geschnitten. Durch die Ausbildung aus Stahl ist eine hohe Verschleißfestigkeit erreicht.
• In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung von Sanden und Kiesen mittels einer solchen Vorrichtung wird ein säulenförmiges Verdichtungswerkzeug vertikal in einen zu verdichtenden Bodenbereich abgesenkt und mittels einer Vibrationsvorrichtung werden Vibrationen im Verdichtungswerkzeug erzeugt, um den Bodenbereich zu verdichten, wobei durch die Vibrationsvorrichtung, welche auf ein oberes Ende des Verdichtungswerkzeugs aufgesetzt wird, vorzugsweise ausschließlich vertikale Vibrationsbewegungen des Verdichtungswerkzeugs erzeugt werden, wobei das Verdichtungswerkzeug durch eine Absenkkraft und durch die Vibrationsbewegungen auf eine vorgegebene Sollversenktiefe abgesenkt wird und danach zumindest einmal um eine vorgegebene Hubhöhe angehoben wird und durch die Absenkkraft und die Vibrationsbewegungen wieder soweit erneut abgesenkt wird, bis dem erneuten Absenken ein vorgegebener Widerstand entgegenwirkt. Das Verdichtungswerkzeug weist an seinem unteren Ende einen Werkzeugkopf auf, an welchem zumindest ein Aufreißwerkzeug angeordnet ist, welches durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs in eine erste Position geschwenkt wird, in welcher es im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet ist, und durch das Anheben des Verdichtungswerkzeugs in eine zweite Position geschwenkt wird, in welcher es im Wesentlichen radial zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet ist und einen Durchmesser des Werkzeugkopfes radial überragt, wobei mittels des zumindest einen Aufreißwerkzeugs während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs eine Säulenspurwandung aufgerissen wird und Bodenmaterial aus der Säulenspurwandung herausgelöst wird.
• In der ersten Position ist das zumindest eine Aufreißwerkzeug im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet, d. h. es ist nach oben geschwenkt und an das Verdichtungswerkzeug angeklappt, so dass ein von der Schwenkachse abgewandtes Ende des zumindest einen Aufreißwerkzeugs über der Schwenkachse und nahe am Verdichtungswerkzeug positioniert ist. Das zumindest eine Aufreißwerkzeug ist dabei derart positioniert, dass es den Durchmesser des Werkzeugkopfes nicht radial überragt, d. h. seitlich nicht über den Werkzeugkopf übersteht. Unter dem Begriff der im Wesentlichen parallelen Ausrichtung des zumindest einen Aufreißwerkzeugs bezüglich des Verdichtungswerkzeugs in dieser ersten Position ist dabei zu verstehen, dass das zumindest eine Aufreißwerkzeug in der ersten Position in einem spitzen Winkel von vorzugsweise maximal 45° zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet ist, wobei dieser Winkel nach oben geöffnet ist, d. h. das zumindest eine Aufreißwerkzeug ist nach oben an das Verdichtungswerkzeug angeklappt. Auf diese Weise werden das Absenken des Verdichtungswerkzeugs und die Bodenverdichtung mittels des Verdichtungswerkzeugs durch das zumindest eine Aufreißwerkzeug nicht behindert, da es an das Verdichtungswerkzeug angeklappt ist und durch den Werkzeugkopf abgeschirmt wird. Auch die Säulenspurwandung wird während des Absenkens durch das in die erste Position geschwenkte zumindest eine Aufreißwerkzeug nicht beschädigt. In der zweiten Position ist das zumindest eine Aufreißwerkzeug im Wesentlichen radial zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet und überragt einen Durchmesser des Werkzeugkopfes radial, d. h. es ragt seitlich über den Werkzeugkopf hinaus. Dadurch wird während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs die Säulenspurwandung durch das zumindest eine Aufreißwerkzeug, welches den Werkzeugkopf radial überragt, aufgerissen, so dass Bodenmaterial aus der Säulenspurwandung herausgelöst wird und unter den Werkzeugkopf in die Säulenspur fällt. Dieses aus der Säulenspurwandung herausgelöste Bodenmaterial wird dann in einem nachfolgenden Absenkvorgang des Verdichtungswerkzeugs verdichtet.
• Zum Schwenken des zumindest einen Aufreißwerkzeugs von der ersten Position in die zweite Position und von der zweiten Position zurück in die erste Position ist keine Antriebseinheit an der Vorrichtung erforderlich, sondern das zumindest eine Aufreißwerkzeug schwenkt allein durch die jeweilige Krafteinwirkung während des Anhebens oder Absenkens des Verdichtungswerkzeugs. Während des Absenkens des Verdichtungswerkzeugs berührt das sich in der zweiten Position befindende, d. h. ausgeklappte, Aufreißwerkzeug die Säulenspurwandung. Durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs wirkt daher eine nach oben gerichtete Kraft auf das Aufreißwerkzeug ein. Da die Schwenkbewegung in die erste Position nicht blockiert ist, schwenkt das Aufreißwerkzeug daher nach oben in die erste Position, in welcher es am Verdichtungswerkzeug anliegt. Es ist dann im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet. Dadurch überragt das Aufreißwerkzeug den Werkzeugkopf nicht mehr seitlich, so dass ein Verdichten des Bodens durch das Aufreißwerkzeug nicht behindert wird.
• Während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs greift das zumindest eine Aufreißwerkzeug in die Säulenspurwandung ein, wodurch aufgrund des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs eine Krafteinwirkung nach unten auf das Aufreißwerkzeug erfolgt. Da das Schwenken von der ersten Position in die zweite Position nicht blockiert ist, schwenkt das Aufreißwerkzeug daher nach unten, d. h. es klappt auf, bis es in der zweiten Position angekommen ist und beispielsweise an einem Anschlag anliegt. Es ist nun radial zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet, greift während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs in die Säulenspurwandung ein, reißt diese auf und löst dadurch Bodenmaterial aus der Säulenspurwandung heraus, welches nach unten fällt und bei einem nachfolgenden Absenken des Verdichtungswerkzeugs durch dieses zu verdichten ist.
• Dieses Aufreißen der Säulenspurwandung mittels des zumindest einen Aufreißwerkzeugs ist besonders wichtig, da durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs auch die Säulenspurwandung schon verfestigt wird, so dass ohne ein derartiges mechanisches Aufreißen der Säulenspurwandung und Herauslösen von Bodenmaterial sich nicht genug Bodenmaterial aus der Säulenspurwandung lösen würde. Es stünde dann nicht genug Bodenmaterial für eine ausreichende Verdichtung zur Verfügung. Durch das Aufreißen der Säulenspurwandung mittels des zumindest einen Aufreißwerkzeugs wird somit eine sehr hohe Verdichtung des Bodens erreicht.
• Zweckmäßigerweise stehen verschiedene Varianten des Aufreißwerkzeugs zur Verfügung, welche sich insbesondere in ihrer Länge unterscheiden. Auf diese Weise ist eine bodenabhängige Auswahl des Aufreißwerkzeugs möglich. Das Aufreißwerkzeug ist zweckmäßigerweise auswechselbar am Werkzeugkopf befestigt, so auf einfache Weise eine Variante des Aufreißwerkzeugs gegen eine andere Variante auszutauschen ist, beispielsweise gegen eine kürzere oder längere Variante, entsprechend jeweils aktuellen Bodenverhältnissen.
• Dabei wird je nach Länge des Aufreißwerkzeuges mehr oder weniger Boden aus der Säulenspurwandung gelöst und fällt in den Raum unter dem Verdichtungswerkzeug. Daher hängt von der Länge des Aufreißwerkzeuges auch ab, wieviel Bodenmaterial gelöst wird und in die Verdichtungszone fällt. Auch ein Betrieb des Werkzeugkopfes ohne Aufreißwerkzeuge ist möglich.
• Zweckmäßigerweise stehen, alternativ oder zusätzlich, verschiedene Varianten des Werkzeugkopfes zur Verfügung, welche insbesondere verschiedene Durchmesser aufweisen. Auf diese Weise ist auch der Werkzeugkopf entsprechend der jeweils aktuellen Bodenverhältnisse und/oder entsprechend eines jeweiligen Grundwasserspiegels auszuwählen.
• Unter der Entgegenwirkung eines vorgegebenen Widerstandes bei dem erneuten Absenken ist zu verstehen, dass eine vorgegebene Absenkgeschwindigkeit unterschritten wird oder dass innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ein Mindestwert eines Absenkweges nicht mehr erreicht wird.
• Die Vibrationsbewegungen werden mittels einer Vibrationsvorrichtung erzeugt, welche rhythmische vertikale Bewegungen in das Verdichtungswerkzeug einleitet. Als Vibrationsvorrichtung können insbesondere herkömmliche Aufsatzgeräte, zum Beispiel Vibratoren, Rüttler oder Rammen, beispielsweise auch Schlagrammen verwendet werden. Dabei sind insbesondere bei einem Einsatz von Rammen auch eine Rammbewegung bzw. eine Rammeinwirkung oder Rammstöße auf das Verdichtungswerkzeug als Vibration oder Vibrationsbewegung zu verstehen.
• Dieses Verfahren, welches mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar ist, ist ein Vollverdrängungsverfahren für eine Untergrundverbesserung. Dadurch wird eine Lagerungsdichte eines bestehenden Baugrundes signifikant erhöht. Dabei wird, im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Vollverdrängungs- und Teilverdrängungsverfahren, vorzugsweise kein Schottermaterial in eine sich während des Verfahrens ausbildende Säulenspur eingebracht.
• Die Baugrundverbesserung wird vorzugsweise ausschließlich durch eine Umlagerung und Verdichtung des anstehenden Baugrundes erreicht. Dazu wird das Verdichtungswerkzeug mit in der ersten Position angeordnetem, d. h. nach oben geklapptem Aufreißwerkzeug in den zu verdichtenden Boden versenkt, wobei der Boden durch das Absenken des Verdichtungswerkzeug und durch die Vibrationsbewegungen verdichtet wird. Anschließend wird das Verdichtungswerkzeug wieder angehoben, wobei das zumindest eine Aufreißwerkzeug durch das Anheben des Verdichtungswerkzeugs in die zweite Position geschwenkt wird, in welcher es im Wesentlichen radial zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet ist und den Durchmesser des Werkzeugkopfes radial überragt. Auf diese Weise wird mittels des Aufreißwerkzeugs während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs eine Säulenspurwandung aufgerissen, so dass sich Bodenmaterial aus der Säulenspurwandung löst und in einem nachfolgenden Absenken des Verdichtungswerkzeugs, erneut mit in die erste Position geschwenktem Aufreißwerkzeug, verdichtet werden kann. Während des Absenkens des Verdichtungswerkzeugs ist das zumindest eine Aufreißwerkzeug in der ersten Position und damit im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet, wobei es den Durchmesser des Werkzeugkopfes nicht überragt, sondern hinter dem Werkzeugkopf angeordnet und durch diesen abgeschirmt ist, so dass die Bodenverdichtung durch das Aufreißwerkzeug nicht negativ beeinflusst wird.
• Auf diese Weise wird durch mehrfaches Absenken und Anheben des Verdichtungswerkzeugs eine verdichtete Säulenspur, d. h. eine Baugrundsäule erstellt, die als linienförmiges Tragglied den Baugrund in der Umgebung der Säulenspur verbessert. Bei dicht nebeneinander mittels des Verfahrens erzeugten derartigen Verdichtungspunkten, d. h. bei einer Mehrzahl derartiger Baugrundsäulen, beispielsweise linienförmig oder in einem flächenförmigen Raster und beispielsweise in einem Abstand von einem Meter zueinander, entsteht eine vollständige Homogenisierung des Bodens mit einer deutlich erhöhten Dichte und höherer Scherfestigkeit und Steifigkeit.
• Je nach Lagerungsdichte des zu verdichtenden und zu verfestigenden Bodens kann es erforderlich sein, Bodenmaterial, zum Beispiel Sand, in die Säulenspur einzuführen, damit eine Absenkung an der Oberfläche nicht zu groß wird, sich also kein zu großer Absenktrichter ausbildet. Es wird zweckmäßigerweise Bodenmaterial verwendet, welches dem Bodenmaterial des zu verdichtenden Bereiches entspricht. Die Zugabe kann zu verschiedenen Zeitpunkten während des Verfahrens erfolgen. So wird beispielsweise, wenn das Verdichtungswerkzeug auf dem Verdichtungspunkt an der Oberfläche aufgesetzt wird, um das Verdichtungswerkzeug herum eine Portion Bodenmaterial aufgeschüttet. Das Verdichtungswerkzeug nimmt das Bodenmaterial dann mit in die Säulenspur. Alternativ oder zusätzlich kann Bodenmaterial in die Säulenspur eingefüllt werden, wenn das Verdichtungswerkzeug auf der Sollversenktiefe oder am jeweiligen Tiefpunkt während des Absenkens angekommen ist. Auch während des Verdichtens, d. h. während des Absenkens des Verdichtungswerkzeugs, kann alternativ oder zusätzlich Bodenmaterial nachgefüllt werden.
• Die Zugabe des Bodenmaterials kann mit der Zugabe zumindest eines fluiden Mediums, beispielsweise Wasser oder ein hydraulisches Bindemittel, kombiniert werden, entweder über das Verdichtungswerkzeug oder direkt von oben in die Säulenspur, beispielsweise mittels eines Schlauchs.
• Da die mittels des Verfahrens und der Vorrichtung erzeugten verdichteten Baugrundsäulen des Bodenmaterials Vollverdrängungssäulen sind, sind das Verfahren und die Vorrichtung vorzugsweise in wassergesättigten locker bis mitteldicht gelagerten Sanden und Kiesen mit untergeordneten Feinkornanteilen anzuwenden. Wenn der jeweilige Boden geeignet ist, aber ein jeweiliges Wasserangebot zu gering ist, wird vorzugsweise Wasser in die Verdichtungszone zugegeben. Dies kann unter Druck oder druckfrei erfolgen.
• Das Verfahren und die Vorrichtung bewirken die Homogenisierung und Verdichtung von Sand und/oder Kies. Wenn die Verdichtung des Bodens allein nicht ausreicht oder wenn es eine jeweilige Baugrundschichtung erfordert, wird zweckmäßigerweise zumindest ein hydraulisches Bindemittel oder Bindemittelgemisch oder zumindest eine Bindemittelsuspension hinzugegeben, um dadurch eine Verfestigung des Bodens in der Säulenspur zu erreichen. Die Tragfähigkeit derart erzeugter Säulen ist dann deutlich höher als im Falle, wenn nur der Boden verdichtet wird. Werden Bentonit oder Zement-Bentonit oder andere Mischungen mit Bentonit als Zuschlagstoff eingesetzt, erreicht man mit dem Verfahren Säulen, die über eine sehr geringe Durchlässigkeit verfügen. Eine solche Bindemittelsuspension wird zweckmäßigerweise mit Druck über Austrittsöffnungen im Verdichtungswerkzeug zugegeben.
• Zu diesem Zweck weist das Verdichtungswerkzeug in einer vorteilhaften Ausführungsform zumindest eine Austrittsöffnung für zumindest ein fluides Medium auf. Auf diese Weise kann im Verfahren, wenn dies erforderlich oder vorteilhaft ist, vorzugsweise zumindest ein fluides Medium in eine Säulenspur und/oder in einen an die Säulenspur angrenzenden Bodenbereich eingebracht werden. Unter dem Begriff fluides Medium sind gasförmige Stoffe, flüssige Stoffe und Suspensionen zu verstehen, d. h. auch Flüssigkeiten mit darin enthaltenen Feststoffen. Das zumindest eine fluide Medium ist beispielsweise Wasser, Luft oder ein anderes Gas oder Gasgemisch, ein hydraulisches Bindemittel, beispielsweise Bentonit oder eine Bentonit-Zementsuspension oder Zement, Kalk oder Gemische aus diesen Stoffen. Auch die Zuführung einer Mehrzahl dieser Stoffe oder Gemische aus diesen Stoffen, d. h. einer Mehrzahl fluider Medien gleichzeitig oder nacheinander während des Verfahrens ist möglich. Das Einbringen in die Säulenspur und/oder in den daran angrenzenden Bodenbereich kann unter Druck oder druckfrei erfolgen. Auch ein Einbringen während des Verfahrens zeitweise unter Druck und zeitweise druckfrei ist möglich. Zudem können zeitgleich oder nacheinander auch verschiedene fluide Medien eingebracht werden, wobei eines oder mehrere unter Druck und eines oder mehrere weitere druckfrei eingebracht werden. Das Einbringen des zumindest einen fluiden Mediums kann über das Verdichtungswerkzeug und/oder direkt über die Öffnung der Säulenspur an der Bodenoberfläche erfolgen. Über das Verdichtungswerkzeug wird das zumindest eine fluide Medium zweckmäßigerweise unter Druck eingebracht. Direkt über die Öffnung der Säulenspur an der Bodenoberfläche wird das zumindest eine Medium zweckmäßigerweise druckfrei eingebracht.
• Durch das Einbringen zumindest eines als Bindemittel ausgebildeten fluiden Mediums wird der Boden zusätzlich verfestigt und/oder undurchlässig. Zur Verbesserung der Verdichtungsprozesse kann es sinnvoll oder notwendig sein, als fluides Medium Wasser in die Säulenspur einzufüllen. Dies kann unter Druck oder druckfrei erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann es zur Verbesserung der Verdichtungsprozesse sinnvoll oder notwendig sein, als fluides Medium Druckluft in die Säulenspur und/oder einen angrenzenden Bodenbereich einzupressen.
• Zur Verbesserung der Tragfähigkeit der jeweiligen Baugrundsäule oder für andere bautechnische Zwecke wie die Veränderung der Durchlässigkeit des Bodens können als fluides Medium Gemische aus hydraulischen Bindemitteln in die Säulenspur eingefüllt werden. Hydraulische Bindemittel können sein z. B. Zemente, Kalke, Bentonit und Gemisch aus diesen Produkten, zum Beispiel Kalk-Zement; Zement Bentonit. Die Suspensionen werden in gesonderten Aggregaten hergestellt. Die Zugabe kann unter Druck oder druckfrei erfolgen.
• Die zumindest eine Austrittsöffnung am Verdichtungswerkzeug zur Zuführung des zumindest einen fluiden Mediums ist beispielsweise am Werkzeugkopf oder am säulenförmigen Grundkörper angeordnet. Zweckmäßigerweise weist das Verdichtungswerkzeug eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen auf, welche am Werkzeugkopf und/oder am säulenförmigen Grundkörper angeordnet sind. Am Werkzeugkopf können die eine oder mehreren Austrittsöffnungen beispielsweise oberhalb der Aufreißwerkzeuge, zwischen den Aufreißwerkzeugen und/oder unterhalb der Aufreißwerkzeuge angeordnet sein. Sie können beispielsweise auch in der kegelstumpfförmigen Wirkfläche des Werkzeugkopfes angeordnet sein, beispielsweise in der Kegelmantelfläche und/oder in der Deckfläche. Weist das Verdichtungswerkzeug eine oder mehrere derartige Austrittsöffnungen auf, so bedeutet der Begriff des im Wesentlichen verschlossenen unteren Endes des Verdichtungswerkzeugs und/oder der im Wesentlichen verschlossenen kegelstumpfförmigen Wirkfläche, dass das untere Ende des Verdichtungswerkzeugs und/oder die kegelstumpfförmige Wirkfläche mit Ausnahme der zumindest einen Austrittsöffnung oder der Mehrzahl von Austrittsöffnungen vollständig verschlossen sind. Diese zumindest eine Austrittsöffnung oder die Mehrzahl von Austrittsöffnungen sind zweckmäßigerweise jeweils mittels eines Ventils zu verschließen und zu öffnen, so dass das untere Ende des Verdichtungswerkzeugs und/oder die kegelstumpfförmige Wirkfläche bei geschlossenen Ventilen vollständig geschlossen ist. Die Ventile sind beispielsweise als Kugelventile ausgebildet.
• Die zumindest eine Austrittsöffnung oder die Mehrzahl von Austrittsöffnungen ist/sind beispielsweise jeweils als eine Flachstrahldüse ausgebildet oder umfasst/umfassen jeweils eine solche Flachstrahldüse. Beispielsweise sind die Austrittsöffnungen den Aufreißwerkzeugen zugeordnet. Der Werkzeugkopf kann beispielsweise bei einer Mehrzahl von Aufreißwerkzeugen im Bereich jedes Aufreißwerkzeugs eine oder mehrere solche Austrittsöffnungen aufweisen. Dabei können die dem jeweiligen Aufreißwerkzeug zugeordneten Austrittsöffnungen, welche vorzugsweise als Düsen, beispielsweise als Flachstrahldüsen, ausgebildet sind oder solche aufweisen, gleiche oder unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. So ist beispielsweise bei zwei dem jeweiligen Aufreißwerkzeug zugeordneten Austrittsöffnungen eine im Wesentlichen parallel zum Aufreißwerkzeug ausgerichtet und die andere im Wesentlichen quer zum Aufreißwerkzeug. Zweckmäßigerweise weist der Werkzeugkopf und/oder der Grundkörper entsprechende Öffnungen auf, in welche eine Düse, beispielsweise eine Flachstrahldüse, als Ausrittsöffnung oder ein Blindstopfen als Verschluss einschraubbar ist. Auf diese Weise ist die Anzahl der Austrittsöffnungen und zweckmäßigerweise auch eine Ausformung der jeweiligen Austrittsöffnung durch eine Auswahl einer jeweils geeigneten Düse mit einem geeigneten Querschnitt und einer geeigneten Strahlform auf einfache und kostengünstige Weise an jeweilige Erfordernisse anzupassen.
• Zur Zuführung des zumindest einen fluiden Mediums zu der zumindest einen Austrittsöffnung oder zu der Mehrzahl von Austrittsöffnungen sind zweckmäßigerweise eine oder mehrere Zuführleitungen von der Austrittsöffnung oder den Austrittsöffnungen an der Außenseite des Verdichtungswerkzeugs oder vorteilhafterweise im hohlen Verdichtungswerkzeug nach oben verlegt. Sind die Zuführleitungen im Verdichtungswerkzeug angeordnet, so weist der säulenförmige Grundkörper zweckmäßigerweise im oberen Endbereich eine seitliche Austrittsöffnung auf, über welche die Zuführleitungen nach außen führbar sind.
• Bei einer Mehrzahl von Austrittsöffnungen kann jede Austrittsöffnung für ein spezielles fluides Medium vorgesehen sein oder die Austrittsöffnungen können beispielsweise der Zuführung mehrerer fluider Medien zur Säulenspur und/oder zum angrenzenden Bodenbereich dienen, beispielsweise sowohl der Zuführung von Wasser als auch der Zuführung eines hydraulischen Bindemittels.
• Alternativ oder zusätzlich kann das Verdichtungswerkzeug zumindest eine so genannte Vakuumlanze aufweisen, d. h. ein am Verdichtungswerkzeug angeordnetes Rohr, welches mit einer Saugeinheit gekoppelt ist. Auf diese Weise ist in der Säulenspur ein Unterdruck zu erzeugen. Damit ist im zu verdichtenden Bodenbereich eine Druckentspannung im Grundwasser zu erreichen.
• Als Vibrationsvorrichtung, welche rhythmische vertikale Bewegungen in das Verdichtungswerkzeug einleitet, können insbesondere herkömmliche Aufsatzgeräte verwendet werden, zum Beispiel Vibratoren, Rüttler oder Rammen. Diese können zur Durchführung des Verfahrens in ihrem jeweiligen Frequenzbereich betrieben werden. Das Verfahren ist mit Vibrationsfrequenzen aus einem sehr breiten Frequenzbereich durchführbar, so dass diesbezüglich keine Einschränkungen bezüglich der zu verwendenden Vibrationsvorrichtungen und deren jeweiliger Vibrationsfrequenz bestehen. Dabei sind insbesondere bei einem Einsatz von Rammen auch eine Rammbewegung bzw. eine Rammeinwirkung oder Rammstöße auf das Verdichtungswerkzeug als Vibration oder Vibrationsbewegung zu verstehen. Ein in ein Inneres des Verdichtungswerkzeugs versenkter Rüttler in Form eines Motors und einer von diesem angetriebenen Unwucht, welcher, wie aus dem Stand der Technik bekannt, horizontale Schwingungen erzeugt, wird nicht verwendet.
• Die Vibrationsvorrichtung wird in einer vorteilhaften Ausführungsform auf das obere Ende des Verdichtungswerkzeugs aufgesetzt, insbesondere auf das obere Ende des Grundkörpers. In einer anderen Ausführungsform ist die Vibrationsvorrichtung beispielsweise als ein Mantelrüttler oder Mantelvibrator (mit oder ohne Getriebe) oder als ein Ringrüttler ausgebildet und wird auf einer vorgegebenen Position entlang der Längsausdehnung des Grundkörpers an diesem angeordnet, beispielsweise im oberen Bereich, im mittleren Bereich oder im unteren Bereich direkt oberhalb des Werkzeugkopfes. Bei dieser Ausführungsform umschließt die Vibrationsvorrichtung den Grundkörperumfang, ist seitlich am Grundkörper angeordnet oder ist im Inneren des Grundkörpers angeordnet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Vibrationsvorrichtung direkt am Werkzeugkopf angeordnet, beispielsweise innerhalb des Grundkörpers oder in einem Gehäuse, durch welches die Vibrationsvorrichtung gegen Schmutz und Wasser geschützt ist. Diese Ausführungsform der Vibrationsvorrichtung, welche, wie auch die anderen Ausführungsformen, vorzugsweise hydraulisch angetrieben wird, kann auch ein Bestandteil des Werkzeugkopfes sein oder sie ist zwischen dem Werkzeugkopf und dem Grundkörper angeordnet.
• Vorzugsweise ist diese Ausführungsform der Vibrationsvorrichtung über eine elastische Kupplung mit dem Grundkörper des Verdichtungswerkzeugs verbunden. Da diese Ausführungsform der Vibrationsvorrichtung somit am und/oder im Werkzeugkopf angeordnet und befestigt ist und die Vibrationsvorrichtung sowie der Werkzeugkopf mittels der elastischen Kupplung vom Grundkörper bezüglich der Schwingungsübertragung zumindest teilweise entkoppelt sind, bevorzugt vollständig oder nahezu vollständig entkoppelt, überträgt die Vibrationsvorrichtung ihre Schwingungen lediglich auf den Werkzeugkopf. D. h. die Vibrationsvorrichtung muss nicht das gesamte Verdichtungswerkzeug in entsprechende Schwingungsbewegungen versetzen, sondern lediglich den Werkzeugkopf. Auf diese Weise ist ein geringerer Energieaufwand der Vibrationsvorrichtung erforderlich.
• Die Vibrationsvorrichtung kann somit als eine Ramme ausgebildet sein, wobei der Begriff Ramme den Oberbegriff für verschiedene Ausprägungen von Vibrationsvorrichtungen darstellt. Als Vibrationsvorrichtung kommt somit beispielsweise ein Vibrator, auch als Vibrationsramme bezeichnet, eine Hydraulikramme, eine Dieselramme oder Explosionsramme, eine Pressluftramme oder eine Dampframme in Betracht. Insbesondere kann auch ein herkömmliches Aufsatzgerät als Vibrationsvorrichtung verwendet werden, zum Beispiel ein Vibrator, ein Rüttler oder auch eine Schlagamme, beispielsweise auch ein Mantelrüttler, ein Mantelvibrator ein Ringrüttler oder ein versenkter Rüttler oder Vibrator, welcher im Inneren des Grundkörpers angeordnet ist. Die Vibrationsvorrichtung kann am oberen Ende, am unteren Ende oder dazwischen im oder am Grundkörper angeordnet sein. Zusätzlich kann das Verdichtungswerkzeug oder zumindest dessen Werkzeugkopf beispielsweise auch gedreht werden, zum Beispiel um eine oder mehrere Teildrehungen oder vollständige Drehungen, jeweils in dieselbe oder in entgegengesetzte Richtungen. Auch oszillierende Drehbewegungen sind möglich.
• Eine extrem hohe Rammenergie der auf das Verdichtungswerkzeug aufgesetzten Vibrationsvorrichtung, beispielsweise eines Aufsatzrüttlers, bewirkt durch den Vollverdrängungsprozess, dass das Bodenmaterial, beispielsweise der Kies, seitlich in eine Bodenmatrix gedrückt, gerammt und gepresst wird und dadurch eine Kompaktierung und Verdichtung des Bodens und eine Verringerung eines Porenanteils bewirkt wird. Bei Vibrationsrammen wird ein Teil der Energie auch in horizontale Schwingungen verwandelt, so dass das Verdichtungswerkzeug die Verdichtungsenergie sehr weit im Baugrund ausbreitet, so dass die Verdichtungswirkung nicht nur in der Säulenspur des Verdichtungswerkzeuges eintritt, sondern auch in einem Umkreis, der das Mehrfache des Durchmessers des Verdichtungswerkzeuges beträgt.
• Die Absenkkraft welche zusätzlich zu den Vibrationsbewegungen zum Absenken des Verdichtungswerkzeugs und zum Verdichten des Bodens in der Säulenspur genutzt wird, wird durch das Eigengewicht des säulenförmigen Verdichtungswerkzeugs und der Vibrationsvorrichtung erzeugt. Bevorzugt erfolgt zusätzlich eine Krafteinwirkung durch eine Haltevorrichtung auf das Verdichtungswerkzeug. Hierzu werden so genannte Mäklergeräte verwendet. Auf diese Weise setzt sich die Absenkkraft aus dem Eigengewicht des säulenförmigen Verdichtungswerkzeugs und der Vibrationsvorrichtung und dieser zusätzlichen Krafteinwirkung durch die Haltevorrichtung zusammen. Das Verdichtungswerkzeug ist dabei über eine Halterung, welche auch als Schlitten bezeichnet wird, und einem so genannten Mäkler mit der Haltevorrichtung verbunden, beispielsweise mit einem Bagger oder einem Kran. Der Mäkler ist als zumindest eine Führungs- und/oder Tragschiene an der Haltevorrichtung angeordnet. Die Halterung ist beweglich am Mäkler angeordnet. Mittels der Haltevorrichtung ist das an der Halterung angeordnete Verdichtungswerkzeug anzuheben und abzusenken, d. h. es ist vertikal beweglich an der Haltevorrichtung angeordnet. Dabei ist die Halterung zweckmäßigerweise mit einem Antrieb der Haltevorrichtung verbunden, über welchen sie und damit das Verdichtungswerkzeug anzuheben und insbesondere auch angetrieben abzusenken ist. D. h. die als Schlitten ausgebildete Halterung und mit ihr das Verdichtungswerkzeug sind, geführt durch den Mäkler, an welchem die Halterung beweglich angeordnet ist, mittels des Antriebs der Haltevorrichtung anzuheben und auch angetrieben abzusenken. Auf diese Weise ist durch den Antrieb der Haltevorrichtung, d. h. beispielsweise durch einen entsprechenden Absenkantrieb des Baggers oder Krans, eine Krafteinwirkung auf die Halterung und über diese auf das Verdichtungswerkzeug zu übertragen. D. h. das Verdichtungswerkzeug ist mittels des Antriebs der Haltevorrichtung derart absenkbar und wird während des Verfahrens derart abgesenkt, dass durch den Antrieb der Haltevorrichtung während des Absenkens zumindest zeitweise eine Kraft in Absenkrichtung auf das Verdichtungswerkzeug einwirkt. Diese Kraft wirkt vertikal nach unten auf das Verdichtungswerkzeug ein.
• Im Extremfall wirkt auf diese Weise ein Teil des Eigengewichts der Haltevorrichtung zusammen mit dem Eigengewicht des Verdichtungswerkzeugs und der Vibrationsvorrichtung auf den zu verdichtenden Boden ein. Dies kann dazu führen, dass während des Absenkens des Verdichtungswerkzeugs die Haltevorrichtung zumindest teilweise vom Boden abgehoben wird.
• Auf diese Weise erfolgt das Verdichten des Bodens mittels des Verdichtungswerkzeugs nicht nur durch die Vibrationen der Vibrationsvorrichtung, sondern zusätzlich auch durch eine hohe Druckkraft, nämlich durch die Absenkkraft, mit welcher das Verdichtungswerkzeug abgesenkt wird. Diese zusätzliche Druckkraft, d. h. die Absenkkraft, mit welcher das Verdichtungswerkzeug abgesenkt wird, kann beispielsweise bis zu 20 Tonnen oder auch bis zu 30 Tonnen betragen. Die Verdichtung des Bodens erfolgt auf diese Weise mittels der Vorrichtung und des Verfahrens durch eine Vollverdrängung, durch die Vibrationsbewegungen und den daraus resultierenden Vibrationsdruck sowie durch die zusätzliche hohe Druckkraft, aus welcher ein entsprechender Absenkdruck resultiert.
• Dem Einsatzgebiet von beispielsweise als Tragraupe ausgebildeten Haltevorrichtungen mit Mäklern sind Grenzen gesetzt. Daher wird bei zu erreichenden Verdichtungstiefen von über 20 Meter, beispielsweise bei Verdichtungstiefen von bis zu 25 Meter, 30 Meter oder 40 Meter, der Werkzeugkopf an ein sehr langes Rammrohr montiert, so dass entsprechend ein sehr langes Verdichtungswerkzeug ausgebildet wird. Die Vibrationsvorrichtung wird oben auf dem Verdichtungswerkzeug, d. h. auf dem oberen Ende des Rammrohres montiert. Bei dieser Variante der Vorrichtung zur Bodenverdichtung und Bodenverfestigung setzt sich die Absenkkraft aus dem Eigengewicht des säulenförmigen Verdichtungswerkzeugs, welches das Rammrohr umfasst, und dem Eigengewicht der Vibrationsvorrichtung zusammen. Das Verdichtungswerkzeug, welches das Rammrohr umfasst, und die Vibrationsvorrichtung hängen in diesem Falle an einem Seil. Als Haltevorrichtung, auch als Traggerät bezeichnet, wird beispielsweise ein Seilbagger verwendet. Sobald das Verdichtungswerkzeug auf den Boden aufgesetzt wird, wird die Vibrationsvorrichtung gestartet, so dass das Verdichtungswerkzeug durch den Absenkdruck, gebildet durch das Eigengewicht des Verdichtungswerkzeug und der Vibrationsvorrichtung, und durch den Vibrationsdruck durch die Wirkung der Vibrationsvorrichtung, d. h. durch deren Vibrationen, Schwingungen und/oder Rammungen durch Absenken des Seils bis in die Sollversenktiefe in den Boden eingefahren, wieder angehoben und dann erneut so oft abgesenkt und angehoben ist, bis der Boden bis zur Oberfläche oder bis nahe der Oberfläche verdichtet ist. Dabei weist das Verdichtungswerkzeug aufgrund des sehr langen Rammrohres ein sehr hohes Eigengewicht auf, so dass die Absenkkraft beispielsweise der mit der Mäklervorrichtung erreichbaren Absenkkraft entspricht.
• Zweckmäßigerweise weist der Werkzeugkopf des Verdichtungswerkzeugs eine im Wesentlichen geschlossene kegelstumpfförmige Wirkfläche auf. Der Werkzeugkopf ist vorzugsweise aus massivem Stahl gebildet. Die Form des Werkzeugkopfes ist beispielsweise ein stumpfer Kegel mit einem Winkel einer Kegelmantelfläche zu einer Kegelgrundfläche von ca. 45°. Ein säulenförmiger Grundkörper des Verdichtungswerkzeugs kann beispielsweise aus Vollmaterial gebildet sein, d. h. als eine Stange oder, um eine größere Versenktiefe zu erreichen, mehrere miteinander verbundene Stangen. Bevorzugt ist dieser Grundkörper jedoch aus einem hohlen Rohr oder, um die größere Versenktiefe zu erreichen, aus einer Mehrzahl miteinander verbundener hohler Rohre gebildet.
• Als derartige Rohre sind beispielsweise so genannte Rammrohre verwendbar, welche einen Grundkörper eines Verdichtungswerkzeugs nach dem Stand der Technik bilden. Das untere Ende des Rohres bzw. bei mehreren Rohren des letzten Rohres ist mit dem Werkzeugkopf zu verschließen, beispielsweise durch Anschweißen oder Anschrauben des Werkzeugkopfes oder durch einstückiges Ausbilden des Werkzeugkopfes und des Rohres. Dabei ist das Anschrauben zu bevorzugen, da auf diese Weise das Verdichtungswerkzeug leicht montierbar, demontierbar und transportierbar ist. Des Weiteren ist der Werkzeugkopf beispielsweise bei Verschleißerscheinungen einfach auswechselbar und das Verdichtungswerkzeug ist durch eine Auswechselung des Werkzeugkopfes sehr schnell und einfach an jeweilige Gegebenheiten und Erfordernisse, beispielsweise an eine jeweilige Bodenbeschaffenheit anpassbar.
• Dies gilt analog auch für die Ausführungsform des säulenförmigen Grundkörper des Verdichtungswerkzeugs aus Vollmaterial, d. h. als Stange. Auch hier sind beispielsweise die Stange und der Werkzeugkopf einstückig ausgeformt oder dieser ist mit der Stange verschweißt oder bevorzugt verschraubt, mit den geschilderten Vorteilen.
• Bei der Verwendung von hohlen Rohren, beispielsweise Rammrohren, als säulenförmiger Grundkörper des Verdichtungswerkzeugs können Leitungen zur Zuführung von Wasser, Suspension und/oder Luft im Inneren des Rohres verlegt werden. Werden Stangen oder andere Profile verwendet, zum Beispiel H-Profile, dann müssen diese Leitungen, wenn eine Zuführung von Wasser, Suspension und/oder Luft zum Werkzeugkopf erforderlich ist, außen am säulenförmigen Grundkörper angeordnet werden.
• Aufgrund der kegelstumpfförmigen Wirkfläche des Werkzeugkopfes und der vertikalen Vibrationsbewegung des Verdichtungswerkzeugs sowie zweckmäßigerweise aufgrund der oben beschriebenen zusätzlichen Druckkraft auf das Verdichtungswerkzeug erfolgt eine überwiegend vertikale Krafteinleitung in den Säulenspuren, so dass extrem steife Baugrundsäulen herstellbar sind, die vergleichbare Eigenschaften aufweisen wie mittels Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik erzeugte Baugrundsäulen.
• Des Weiteren erfolgt ein Teil der Krafteinleitung durch eine seitliche Mantelfläche der kegelstumpfförmigen Wirkfläche des Werkzeugkopfes in Seitenbereiche der Säulenspur. D. h. es wird eine seitliche Ausdehnung der Verdichtungsenergie und dadurch eine vergrößerte radiale Ausdehnung von mittels des Verdichtungswerkzeugs hergestellten Baugrundsäulen erreicht.
• Um die Verdichtungswirkung der Wirkfläche des Werkzeugkopfes nicht durch das zumindest eine Aufreißwerkzeug zu stören, ist das zumindest eine Aufreißwerkzeug oberhalb der Wirkfläche am Werkzeugkopf angeordnet, so dass es im in die erste Position geschwenkten Zustand durch die Wirkfläche abgeschirmt ist.
• Bevorzugt sind am Werkzeugkopf über dessen Umfang gleichmäßig verteilt eine Mehrzahl von Aufreißwerkzeugen angeordnet, welche auf die oben beschriebene Weise in die erste Position und in die zweite Position schwenkbar sind und in der zweiten Position, im Wesentlichen radial zum Verdichtungswerkzeug ausgerichtet sind und den Durchmesser des Werkzeugkopfes radial überragen, d. h. über die Wirkfläche des Werkzeugkopfes seitlich überstehen. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiges Aufreißen der Säulenspurwandung während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs erreicht, so dass ein effektives Herauslösen des Bodenmaterials aus der Säulenspurwandung erreicht wird, welches durch ein nachfolgendes Absenken des Verdichtungswerkzeugs verdichtet wird. Beispielsweise können am Werkzeugkopf über dessen Umfang gleichmäßig verteilt zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr Aufreißwerkzeuge angeordnet sein. Die Anzahl der Aufreißwerkzeuge kann beispielsweise abhängig sein von einem jeweiligen Durchmesser des Werkzeugkopfes und/oder von einem mit dem Verdichtungswerkzeug jeweils zu verdichtenden Boden. Die Aufreißwerkzeuge können dabei auch in mehreren Ebenen übereinander am Werkzeugkopf angeordnet sein. Dabei sind die Aufreißwerkzeuge in den verschiedenen Ebenen zweckmäßigerweise in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet, so dass die Aufreißwerkzeuge nicht direkt übereinander angeordnet sind.
• Im Verfahren wird zweckmäßigerweise das Anheben des Verdichtungswerkzeugs um die vorgegebene Hubhöhe und das nachfolgende Absenken alternierend so oft wiederholt, bis dem Absenken der vorgegebene Widerstand bereits entgegenwirkt, wenn sich das Verdichtungswerkzeug auf einer vorgegebenen Endposition befindet. D. h. es erfolgt ein wiederkehrendes Anheben, welches mit oder ohne Vibrationsbewegungen, also mit ein- oder ausgeschalteter Vibrationsvorrichtung durchgeführt werden kann, und nachfolgendes Absenken mit eingeschalteter Vibrationsvorrichtung unter Verdichtung des Bodens.
• Während insbesondere des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs, welches mit eingeschalteter oder mit ausgeschalteter Vibrationsvorrichtung durchgeführt werden kann, bricht durch die Einwirkung des in die zweite Position geschwenkten zumindest einen Aufreißwerkzeugs aus der seitlichen Säulenspurwandung Bodenmaterial heraus und fällt unter den Werkzeugkopf in einen noch nicht mit Bodenmaterial gefüllten Hohlraum der Säulenspur, so dass es während des nachfolgenden erneuten Absenkens des Verdichtungswerkzeugs zu verdichten ist. Dadurch ist das Verdichtungswerkzeug nicht mehr auf die ursprüngliche Sollversenktiefe absenkbar, sondern aufgrund der Verdichtung weiteren Bodenmaterials wirkt dem Verdichtungswerkzeug bereits vorher der vorgegebene Widerstand entgegen, so dass es erneut um die vorgegebene Hubhöhe angehoben wird und danach erneut abgesenkt wird.
• Durch eine derartige oszillierende Auf- und Abbewegung erfolgt ein stetiger Materialaufbau mit verdichtetem Bodenmaterial in dem durch das Verdichtungswerkzeug gebildeten Hohlraum der Säulenspur, so dass der Hohlraum der Säulenspur schrittweise in Richtung einer Bodenoberfläche mit extrem verdichtetem Bodenmaterial gefüllt wird und sich dadurch die extrem verdichtete gefüllte Säulenspur, d. h. die extrem verdichtete Baugrundsäule ausbildet.
• Um das Herausbrechen des Bodenmaterials aus der seitlichen Säulenspurwandung zu begünstigen, wird vorzugsweise nach dem Anheben des Verdichtungswerkzeugs um die vorgegebene Hubhöhe und vor dem nachfolgenden Absenken des Verdichtungswerkzeugs eine vorgegebene Zeitdauer, beispielsweise einige Sekunden, in der angehobenen Stellung bei aktivierter Vibrationsvorrichtung verharrt, so dass Bodenmaterial nachsacken und unter den Werkzeugkopf gelangen kann.
• Ein vertikaler Absenkdruck aufgrund der Absenkkraft während des Absenkens des Verdichtungswerkzeugs und ein zusätzlich wirkender vertikaler Vibrationsdruck, erzeugt durch die Vibrationsvorrichtung, wird durch die abgeflachte Kegelspitze des Werkzeugkopfes, d. h. durch die kegelstumpfförmig ausgeformte Wirkfläche des Werkzeugkopfes, vertikal und an schrägen Werkzeugkopfflächen der Kegelmantelfläche durch dort gebildete Kräftepaare mit horizontalen und vertikalen Kraftrichtungsanteilen sowohl vertikal als auch horizontal in den Baugrund, d. h. in den zu verdichtenden Boden eingeleitet. Auf diese Weise erfolgt die Bodenverdichtung sowohl unter dem Verdichtungswerkzeug als auch seitlich des Verdichtungswerkzeugs, so dass die mit verdichtetem Bodenmaterial gefüllte Säulenspur, d. h. die verdichtete Baugrundsäule einen größeren Durchmesser als das Verdichtungswerkzeug bzw. dessen Werkzeugkopf aufweist. In der Regel werden Vibrationsvorrichtungen verwendet, deren Frequenz geregelt werden kann, so dass baugrundspezifisch die Frequenz mit der größten Verdichtungswirkung gewählt werden kann.
• Durch dieses Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens tritt im Baugrund eine so genannte Verdrängungswelle auf, wobei diese, da die Baugrundsäulen mit einer aufgesetzten Vibrationsvorrichtung erzeugt werden, bereits an der Bodenoberfläche beginnt. Dabei kann es durch die Verdichtung des Bodenmaterials sowie durch das Nachrutschen und Verdichten auch dieses nachgerutschten Bodenmaterials je nach Lagerungsdichte des Bodens zu einer Trichterbildung im Bereich der Bodenoberfläche über der Bodenverdichtung kommen.
• Wenn dies erforderlich ist, wird dieser sich durch die Bodenverdichtung an der Bodenoberfläche über der Bodenverdichtung ausbildende Absenktrichter zweckmäßigerweise während und/oder nach der mittels des Verdichtungswerkzeugs durchgeführten Bodenverdichtung mit einem verdichtungsfähigen Material aufgefüllt, beispielsweise mit einem gut verdichtungsfähigen Mineralstoff wie Kies in Rundkorngemischform oder Brechkorngemischform. Dies erfolgt vorzugsweise bereits während des Verfahrens Zug um Zug, so dass kein zu großer Absenktrichter, keine Hohlräume und kein zu großer Materialverlust an der Bodenoberfläche entstehen. Die Materialzugabe erfolgt von außen, d. h. von oben in den entstehenden Absenktrichter hinein.
• Vorteilhafterweise werden der durch das Verdichtungswerkzeug auf den zu verdichtenden Bodenbereich einwirkende Absenkdruck, der durch eine eingesetzte Vibrationsenergie mittels der Vibrationsvorrichtung erzeugte und über das Verdichtungswerkzeug auf den zu verdichtenden Bodenbereich einwirkende Vibrationsdruck und eine Versenktiefe des Verdichtungswerkzeugs ermittelt.
• Der Absenkdruck wirkt dabei nur in vollem Umfang, wenn das Verdichtungswerkzeug vollständig abgesetzt ist. Wird das Verdichtungswerkzeug angehoben, so wirkt nur noch ein verringerter Druckanteil aufgrund eines Teils des Eigengewichts des Verdichtungswerkzeugs oder dieser Anteil wirkt nicht mehr.
• Durch diese vorzugsweise fortlaufende Ermittlung des Absenkdrucks, des Vibrationsdrucks und der Versenktiefe während des Verfahrens ist eine ständige Überwachung des Verfahrens ermöglicht, so dass das Verdichtungswerkzeug, wenn die vorgegebene Sollversenktiefe erreicht ist, um die vorgegebene Hubhöhe angehoben werden kann. Des Weiteren ist dadurch auch ermittelbar, wenn in den weiteren Bodenverdichtungsschritten dem Verdichtungswerkzeug jeweils der vorgegebene Widerstand entgegenwirkt, so dass es durch die Druckeinwirkung nicht weiter absinkt und erneut um die vorgegebene Hubhöhe angehoben werden muss.
• Zudem ist durch die Erfassung des Drucks und der Versenktiefe eine Auswertung zur Qualitätssicherung ermöglicht. Dadurch ist beurteilbar, ob der auf diese Weise verdichtete Boden und der dadurch erzeugte Baugrund den jeweiligen Erfordernissen entspricht, d. h. beispielsweise eine ausreichende Tragkraft, Festigkeit und Stabilität aufweist, um geplante Baumaßnahmen auf dem Baugrund durchführen zu können, beispielsweise ein Bauwerk oder Gebäude darauf zu errichten.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zur Herstellung einer Tiefgründung zumindest ein Gründungselement in einen Baugrund gerammt, wobei ein vorgegebener Bereich des Baugrundes vor dem Einrammen und/oder nach dem Einrammen des Gründungselementes durch den Einsatz des säulenförmigen Verdichtungswerkzeugs an mehreren vorgegebenen Verdichtungspositionen des Baugrundes auf die oben beschriebene Weise verdichtet und/oder verfestigt wird.
• Auf diese Weise ist beispielsweise eine Mastgründung für eine Stromleitung herzustellen, wobei die jeweilige Mastgründung aus einem so genannten Mono-Ramm-Rohr-Pfahl als Gründungselement gebildet wird. Diese Monopfähle werden lediglich in den Baugrund eingerammt. Daran werden über Flanschverbindungen die Masten als durch das jeweilige Gründungselement zu haltendes Element aufgeschraubt und danach kann die Montage der Stromleitungen erfolgen. Dies kann nur in Baugrundverhältnissen angewandt werden, bei welchen bis in größere Tiefen leicht rammbare Böden anstehen. Dies sind in der Regel strukturschwache Böden, die zu großen Verformungen neigen. Durch die Verdichtung und/oder Verfestigung des Baugrundes wird eine Standsicherheit solcher Monopfähle erheblich gesteigert.
• Zweckmäßigerweise werden die Verdichtungspositionen, an welchen das Verdichtungswerkzeug eingesetzt wird, auf zumindest einem konzentrischen Kreis, bevorzugt auf mehreren konzentrischen Kreisen, um das in den Baugrund eingerammte Gründungselement herum oder um eine Einrammposition herum, an welcher das Gründungselement eingerammt werden soll, angeordnet. Diese Untergrundverbesserung in konzentrischen Kreisen durch das beschriebene Verfahren wird bevorzugt nach dem Einrammen des Pfahls, d. h. des Gründungselementes, durchgeführt. Dadurch wird ein verbesserter Baugrund ausgebildet, welche erheblich bessere Ergebnisse in statischen Berechnungen aufweist. Bei der Berechnung der Standsicherheit spielt die Lagerungsdichte der Böden eine große Rolle. Durch die zusätzliche Untergrundverbesserung ist der Baugrund erheblich verbessert und kann größere Bettungskräfte aufnehmen, so dass günstigere Ergebnisse in statischen Berechnungen erzielt werden oder die Verwendung von Monopfählen erst möglich wird. Somit besteht ein technisches und kommerzielles Interesse, die Bedingungen für die Gründung eines Monopfahls zu verbessern. Dies wird durch das beschriebene Verfahren erreicht. Die mit dem Verfahren als Gründungselement verwendbaren Monopfähle sind beispielsweise als Stahlrohr mit einem Durchmesser von 70 cm bis 180 cm ausgebildet. Auch größere oder kleinere Durchmesser sind möglich. Des Weiteren sind auch andere Materialien möglich, beispielsweise Beton, Stahlbeton oder Holz. Auch einzelne Mikropfähle oder Gruppen von Mikropfählen können als Gründungselement verwendet werden.
• Die Verdichtung des jeweiligen Bodenbereichs an unterschiedlichen Verdichtungspositionen kann bis in unterschiedliche Verdichtungstiefen durchgeführt werden. Beispielsweise nimmt bei Verdichtungspositionen, welche in unterschiedlichen Abständen zu dem in den Baugrund eingerammten Gründungselement oder zu der Einrammposition, an welcher das Gründungselement eingerammt werden soll, angeordnet sind, die Verdichtungstiefe, bis zu welcher die Verdichtung des jeweiligen Bodenbereichs durchgeführt wird, mit zunehmendem Abstand von dem in den Baugrund eingerammten Gründungselement oder von der Einrammposition, an welcher das Gründungselement eingerammt werden soll, ab oder zu.
• Das beschrieben Verfahren in seinen verschiedenen Ausführungsformen kann sowohl an Land als auch unter Wasser durchgeführt werden, d. h. auch beispielsweise am Grund eines Bachs, Flusses, Kanals, Teichs, Sees, Meeres oder jeden anderen Gewässers. Für die Baugrundverbesserung unter Wasser kann das Verfahren beispielsweise von einem Schiff oder einem andere Wasserfahrzeug aus durchgeführt werden.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Darin zeigen:
• 1 schematisch ein Verdichtungswerkzeug einer Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit nach oben geklappten Aufreißwerkzeugen in einer Seitenansicht,
• 2 schematisch einen Werkzeugkopf eines Verdichtungswerkzeugs einer Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit nach oben geklappten Aufreißwerkzeugen in einer Draufsicht von unten,
• 3 schematisch ein Verdichtungswerkzeug einer Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit nach unten geklappten Aufreißwerkzeugen in einer Seitenansicht,
• 4 schematisch einen Werkzeugkopf eines Verdichtungswerkzeugs einer Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit nach unten geklappten Aufreißwerkzeugen in einer Draufsicht von unten,
• 5 schematisch ein Verdichtungswerkzeug einer Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit einer Mehrzahl von Austrittsöffnungen in einer Seitenansicht,
• 6 schematisch eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit einem Verdichtungswerkzeug in einer ersten Position,
• 7 schematisch eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit einem Verdichtungswerkzeug in einer zweiten Position,
• 8 schematisch eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit einem Verdichtungswerkzeug in einer dritten Position,
• 9 schematisch eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit einem Verdichtungswerkzeug in einer vierten Position,
• 10 schematisch eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit einem Verdichtungswerkzeug in einer fünften Position,
• 11 schematisch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung,
• 12 schematisch ein Diagramm mit einem Verlauf eines Absenkdrucks, eines Vibrationsdrucks und einer Versenktiefe im Verfahrensverlauf,
• 13 schematisch ein an einem Mäkler angeordnetes Verdichtungswerkzeug,
• 14 schematisch ein Werkzeugkopf mit Austrittsöffnungen,
• 15 schematisch eine Querschnittdarstellung von 14,
• 16 schematisch ein an einem Seilbagger abgeordnetes Verdichtungswerkzeug,
• 17 schematisch ein an einem Seilbagger abgeordnetes Verdichtungswerkzeug mit einer im Werkzeugkopf angeordneten Vibrationsvorrichtung,
• 18 eine weitere Ausführungsform eines Werkzeugkopfes,
• 19 schematisch eine Querschnittdarstellung von 18,
• 20 schematisch eine Tiefgründung, und
• 21 schematisch eine Tiefgründung in einer Draufsicht von oben.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die 1 und 3 zeigen ein Verdichtungswerkzeug 2 einer Vorrichtung 1 zur Bodenverdichtung, mittels welcher ein Verfahren zur Bodenverdichtung und Bodenverfestigung durchführbar ist. Aus der DE 10 2010 022 661 A1 , deren vollständiger Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird, sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung 1 zur Bodenverdichtung bekannt. Das im Folgenden beschriebene Verfahren zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung und die Vorrichtung 1 zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung, mittels welcher dieses Verfahren durchführbar ist, stellen eine Verbesserung des aus der DE 10 2010 022 661 A1 bekannten Verfahrens und der aus der DE 10 2010 022 661 A1 bekannten Vorrichtung 1 dar. In den 2 und 4 ist ein Werkzeugkopf 2.1 dieses Verdichtungswerkzeugs 2 näher dargestellt. In 5 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verdichtungswerkzeugs 2 dargestellt. Die 6 bis 10 zeigen die Vorrichtung 1 zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung während eines Ablaufs des Verfahrens. Die Vorrichtung 1 weist ein säulenförmiges Verdichtungswerkzeug 2 mit dem Werkzeugkopf 2.1, beispielsweise aus massivem Stahl, und einem säulenförmigen Grundkörper 2.2 auf. Der Werkzeugkopf 2.1 weist eine im Wesentlichen geschlossene kegelstumpfförmige Wirkfläche 2.1.1 auf. In 11 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt.
• Der säulenförmige Grundkörper 2.2 des Verdichtungswerkzeugs 2 kann beispielsweise aus Vollmaterial gebildet sein, d. h. als eine Stange oder, um eine größere Versenktiefe T zu erreichen, mehrere miteinander verbundene Stangen.
• Dabei wird bei zunehmend geringerer Versenktiefe T die Anzahl der verwendeten Stangen zunehmend reduziert. Bevorzugt ist dieser Grundkörper 2.2 jedoch aus einem hohlen Rohr oder, um die größere Versenktiefe T zu erreichen, wie in den 6 bis 10 dargestellt, aus einer Mehrzahl miteinander verbundener hohler Rohre gebildet. Dabei wird bei zunehmend geringerer Versenktiefe T die Anzahl der verwendeten hohlen Rohre zunehmend reduziert. So wird zur Ausbildung des säulenförmigen Grundkörper 2.2, an welchem der Werkzeugkopf 2.1 befestigt ist, in 10, zum Ende des Verfahrens, beispielsweise noch lediglich ein hohles Rohr verwendet, während in 6, zu Beginn des Verfahrens, noch eine Mehrzahl hohler Rohre für den säulenförmigen Grundkörper 2.2 erforderlich sind, um eine entsprechend große Versenktiefe T zu Beginn des Verfahrens zu erreichen. Die Versenktiefe T des Verdichtungswerkzeugs 2 ist in 12 in einem Zeitverlauf t des Verfahrens dargestellt.
• Als derartige Rohre sind beispielsweise so genannte Rammrohre verwendbar, welche einen Grundkörper eines Verdichtungswerkzeugs nach dem Stand der Technik bilden. Das untere Ende des Rohres bzw. bei mehreren Rohren des letzten Rohres ist mit dem Werkzeugkopf 2.1 zu verschließen, beispielsweise durch Anschweißen oder Anschrauben des Werkzeugkopfes 2.1 oder durch einstückiges Ausbilden des Werkzeugkopfes 2.1 und des Rohres. D. h. das untere Ende des Verdichtungswerkzeugs 2 ist durch den Werkzeugkopf 2.1 verschlossen, welcher am unteren Ende des säulenförmigen Grundkörpers 2.2 angeordnet ist.
• Dabei ist das Anschrauben zu bevorzugen, da auf diese Weise das Verdichtungswerkzeug 2 leicht montierbar, demontierbar und transportierbar ist. Des Weiteren ist der Werkzeugkopf 2.1 beispielsweise bei Verschleißerscheinungen einfach auswechselbar und das Verdichtungswerkzeug 2 ist durch eine Auswechselung des Werkzeugkopfes 2.1 sehr schnell und einfach an jeweilige Gegebenheiten und Erfordernisse, beispielsweise an eine jeweilige Bodenbeschaffenheit anpassbar.
• Dies gilt analog auch für die Ausführungsform des säulenförmigen Grundkörpers 2.2 des Verdichtungswerkzeugs 2 aus Vollmaterial, d. h. als Stange oder als ein anderes Profil, beispielsweise H-Profil oder Hohlkasten. Auch hier sind beispielsweise die Stange und der Werkzeugkopf 2.1 einstückig ausgeformt oder dieser ist mit der Stange verschweißt oder bevorzugt verschraubt, mit den geschilderten Vorteilen.
• Ein Querschnitt des Grundkörpers 2.2 kann rund, oval oder vieleckig ausgebildet sein.
• Auf ein oberes Ende des Verdichtungswerkzeugs 2 ist eine Vibrationsvorrichtung 3 aufgesetzt, welche rhythmische und ausschließlich vertikale Bewegungen mit einer konstanten oder regelbar variablen Frequenz, beispielsweise zwischen 5 Hz und 20 Hz, in das Verdichtungswerkzeug 2 einleitet. Die Vibrationsvorrichtung 3 kann insbesondere ein herkömmliches Aufsatzgerät sein, beispielsweise ein Vibrator, ein Rüttler oder eine Ramme, zum Beispiel auch eine Vibrationsramme für Spundwandrammarbeiten. Dabei sind insbesondere bei einem Einsatz von Rammen auch eine Rammbewegung bzw. eine Rammeinwirkung oder Rammstöße auf das Verdichtungswerkzeug 2 als Vibration oder Vibrationsbewegung zu verstehen.
• Des Weiteren ist am Verdichtungswerkzeug 2 eine Halterung 4 angeordnet, welche mit einer Haltevorrichtung 5 verbunden ist, beispielsweise mit einem Bagger oder mit einem Kran, wie in den 6 bis 10 schematisch dargestellt. Die Halterung 4 wird auch als Schlitten bezeichnet, welcher vertikal beweglich an einem Mäkler angeordnet ist. Bei dem Mäkler handelt es sich um zumindest eine Führungs- und/oder Tragschiene, welche an der Haltevorrichtung 5 befestigt ist. Dabei ist die Vibrationsvorrichtung 3 an der als Schlitten ausgebildeten Halterung 4 montiert, welche vertikal beweglich an dem Mäkler angebaut ist. Der Mäkler ist fest mit der Haltevorrichtung 5, beispielsweise einer Tragraupe, verbunden. Mittels der Haltevorrichtung 5 ist das Verdichtungswerkzeug 2 zu einem Ort transportierbar, an welchem eine Bodenverdichtung durchgeführt werden soll, dort in vertikaler Position haltbar, vertikal in einen zu verdichtenden Boden absenkbar und wieder anhebbar, wie in den 6 bis 10 durch jeweils einen ersten Pfeil P1 dargestellt, welcher die jeweilige vertikale Bewegungsrichtung des Verdichtungswerkzeugs 2 zeigt.
• Der Werkzeugkopf 2.1 mit seiner kegelstumpfförmigen Wirkfläche 2.1.1 ist in den 1 und 3 in einer Seitenansicht und in den 2 und 4 in einer Draufsicht von unten dargestellt. Die kegelstumpfförmige Wirkfläche 2.1.1 setzt sich aus einer Kegelmantelfläche 2.1.1.1 und einer Deckfläche 2.1.1.2 zusammen. Die Form des Werkzeugkopfes 2.1, d. h. eines unteren Wirkteils des Werkzeugkopfes 2.1 ist beispielsweise ein Kegelstumpf mit einem Winkel der Kegelmantelfläche 2.1.1.1 zu einer Kegelgrundfläche von ca. 45°. An der Grundfläche weist der Kegelstumpf seinen maximalen Kegeldurchmesser DK auf. Dieser Kegeldurchmesser DK der Kegelgrundfläche kann beispielsweise zwischen 25 cm und 70 cm betragen. Die Kegelgrundfläche des hier dargestellten Werkzeugkopfes 2.1 weist einen Kegeldurchmesser DK von 40 cm auf. Je nach den jeweiligen Bodenverhältnissen wird ein Werkzeugkopf 2.1 mit einem für die jeweiligen Bodenverhältnisse am besten geeigneten Kegeldurchmesser DK verwendet.
• Durch die kegelstumpfförmige Ausbildung der Wirkfläche 2.1.1 des Werkzeugkopfes 2.1 werden eine seitliche Ausdehnung einer Verdichtungsenergie und eine vergrößerte radiale Ausdehnung von mittels des Verdichtungswerkzeugs 2 hergestellter Baugrundsäulen BS erreicht. Eine derartige fertiggestellte Baugrundsäule BS ist in 10 dargestellt. Eine radiale Ausdehnung einer Verdrängungs- und Verdichtungswirkung auf ein Bodenmaterial beträgt dabei mindestens ein Zweifaches bis Dreifaches des Kegeldurchmessers DK des Werkzeugkopfes 2.1. Sie kann auch größer sein, je nach dem jeweiligen Boden.
• In 1 ist eine Aufteilung der vertikalen Kraft des Verdichtungswerkzeugs 2, welche durch einen vertikalen zweiten Pfeil P2 dargestellt ist, gezeigt. Die vertikale Kraft wird in einen vertikal wirkenden Kraftanteil und einen schräg nach unten wirkenden Kraftanteil aufgeteilt. Der vertikale Kraftanteil wirkt über die Deckfläche 2.1.1.2 und zusätzlich über im folgenden näher erläuterte Befestigungen 6, welche auch als Konsole bezeichnet werden. Dieser vertikal wirkende Kraftanteil ist durch dritte Pfeile P3 dargestellt. Der schräg nach unten wirkende Kraftanteil wirkt über die Kegelmantelfläche 2.1.1.1, dargestellt durch vierte Pfeile P4. Durch den Werkzeugkopf 2.1 mit seiner kegelstumpfförmig ausgebildeten Wirkfläche 2.1.1 und zusätzlich durch die als Konsole bezeichneten Befestigungen 6 erfolgt somit während eines Absenkens des Verdichtungswerkzeugs 2 eine Krafteinleitung in vertikaler Richtung, und zudem durch die Kegelmantelfläche 2.1.1.1 eine Krafteinleitung in Richtung schräg nach unten, d. h. senkrecht zur Kegelmantelfläche 2.1.1.1, in den Boden. Das Verdichtungswerkzeug 2 wird mittels der Vibrationsvorrichtung 3 lediglich vertikal bewegt. Durch die kegelstumpfförmige Wirkfläche 2.1.1 werden die durch die Vibrationsvorrichtung 3 erzeugten Kräfte sowie die Absenkkraft durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 in vertikal wirkende Kräfte, ausgehend von der Deckfläche 2.1.1.2 des Kegelstumpfes und den Befestigungen 6, und in schräg seitlich wirkende Kräfte, ausgehend von der Mantelfläche 2.1.1.1 des Kegelstumpfes, aufgeteilt. Die abgeflachte Deckfläche 2.1.1.2 der kegelstumpfförmigen Wirkfläche 2.1.1 des Werkzeugkopfes 2.1 weist einen Spitzendurchmesser DS von beispielsweise 10 cm auf. Je nach den jeweiligen Bodenverhältnissen wird ein Werkzeugkopf 2.1 mit einem für die jeweiligen Bodenverhältnisse am besten geeigneten Spitzendurchmesser DS verwendet.
• Der hier dargestellte Werkzeugkopf 2.1 weist zudem eine Mehrzahl von Aufreißwerkzeugen 2.1.2 auf, welche vorteilhafterweise gleichmäßig über einen Umfang des Werkzeugkopfes 2.1 verteilt sind. Diese Aufreißwerkzeuge 2.1.2 sind am Werkzeugkopf 2.1 um jeweils eine horizontale Schwenkachse S schwenkbar gelagert. Über die jeweilige Schwenkachse S sind die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 mit Befestigungen 6 verbunden, welche am Werkzeugkopf 2.1 fest angeordnet sind, beispielsweise mit diesem verschweißt sind. Die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 sind dabei oberhalb der kegelstumpfförmigen Wirkfläche 2.1.1 am Werkzeugkopf 2.1 angeordnet. Die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 sind derart schwenkbar gelagert, dass sie in eine in den 1 und 2 dargestellte erste Position und in eine in den 3 und 4 dargestellte zweite Position schwenkbar sind. Eine Länge der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 ist zweckmäßigerweise abhängig von einer jeweiligen Baugrundbeschaffenheit. Die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 sind vorzugsweise auf einfache Weise auswechselbar am Werkzeugkopf 2.1 angeordnet, so dass in Abhängigkeit von einer jeweiligen Bodenbeschaffenheit Aufreißwerkzeuge 2.1.2 mit einer hierfür am besten geeigneten Länge verwendet werden können. Auch können die Aufreißwerkzeuge 2.1.2, die jeweils aktuell am Werkzeugkopf 2.1 angeordnet sind, voneinander abweichende Längen aufweisen.
• In der ersten Position sind die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 nach oben in Richtung des Grundkörpers 2.2 geschwenkt und dadurch an das Verdichtungswerkzeug 2 bzw. an den Werkzeugkopf 2.1 angeklappt. Sie sind im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug 2 ausgerichtet, d. h. im Wesentlichen parallel zum Grundkörper 2.2 des Verdichtungswerkzeugs 2. Sie sind in dieser ersten Position derart positioniert, dass ein von der Schwenkachse S abgewandtes Ende des der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 über der jeweiligen Schwenkachse S und nahe am Verdichtungswerkzeug 2 positioniert ist. Unter dem Begriff der im Wesentlichen parallelen Ausrichtung der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 bezüglich des Verdichtungswerkzeugs 2 in dieser ersten Position ist dabei zu verstehen, dass die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 in der ersten Position in einem spitzen Winkel von vorzugsweise maximal 45° zum Verdichtungswerkzeug 2 ausgerichtet sind, wobei dieser Winkel nach oben geöffnet ist. Entscheidend ist dabei, dass die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 in dieser ersten Position derart positioniert sind, dass sie nicht seitlich über den Werkzeugkopf 2.1 überstehen, d. h. den Kegeldurchmesser DK des Werkzeugkopfes 2.1 nicht radial überragen.
• In der zweiten Position sind die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 im Wesentlichen radial zum Verdichtungswerkzeug 2 ausgerichtet, so dass sie den Werkzeugkopf 2.1 und damit den Kegeldurchmesser DK des Werkzeugkopfes 2.1 radial überragen, d. h. sie ragen in dieser zweiten Position seitlich über die kegelstumpfförmige Wirkfläche 2.1.1 des Werkzeugkopfes 2.1 hinaus.
• Ein von der jeweiligen Schwenkachse S abgewandtes Ende der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 ist spitz zulaufend ausgebildet. Dazu ist eine Unterseite der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 gerade oder nahezu gerade ausgebildet, so dass eine gute Auflage auf der jeweiligen Befestigung 6 im in die zweite Position geschwenkten Zustand sichergestellt ist, und eine Oberseite der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 ist mit zunehmendem Abstand von der Schwenkachse S in Richtung der Unterseite gekrümmt ausgebildet.
• Die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 sind aus Stahl ausgebildet, insbesondere jeweils aus Stahl geschmiedet oder aus einem dicken Stahlblech geschnitten. Die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 können runde, abgerundete oder gerade Kanten aufweisen.
• Diese Aufreißwerkzeuge 2.1.2 werden durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 in die erste Position geschwenkt, in welcher sie im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug 2 ausgerichtet sind. D. h. sie werden durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 an das Verdichtungswerkzeug 2 angeklappt. Durch das Anheben des Verdichtungswerkzeugs 2 werden die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 in die zweite Position geschwenkt, in welcher sie im Wesentlichen radial zum Verdichtungswerkzeug 2 ausgerichtet sind und den Durchmesser des Werkzeugkopfes 2.1 radial überragen. D. h. die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 werden durch das Anheben des Verdichtungswerkzeugs 2 heruntergeklappt, d. h. nach außen aufgeklappt. Auf diese Weise wird mittels der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs 2 eine Säulenspurwandung SPW aufgerissen, so dass sich Bodenmaterial aus der Säulenspurwandung SPW löst und in einem nachfolgenden Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 verdichtet werden kann.
• Zum Schwenken der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 von der ersten Position in die zweite Position und von der zweiten Position zurück in die erste Position ist keine Antriebseinheit an der Vorrichtung 1 erforderlich, sondern die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 schwenken allein durch die jeweilige Krafteinwirkung während des Anhebens oder Absenkens des Verdichtungswerkzeugs 2. Während des Absenkens des Verdichtungswerkzeugs 2 berühren die sich in der zweiten Position befindenden, d. h. ausgeklappten, Aufreißwerkzeuge 2.1.2 die Säulenspurwandung SPW. Durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 wirkt daher eine nach oben gerichtete Kraft auf die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 ein. Da die Schwenkbewegung in die erste Position nicht blockiert ist, schwenken die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 daher nach oben in die erste Position, in welcher sie am Verdichtungswerkzeug 2 anliegen. Sie sind dann im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug 2 ausgerichtet. Dadurch überragen sie den Werkzeugkopf 2.1 nicht mehr seitlich, so dass ein Verdichten des Bodens durch die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 nicht behindert wird.
• Während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs 2 greifen die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 in die Säulenspurwandung SPW ein, wodurch aufgrund des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs 2 eine Krafteinwirkung nach unten auf die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 erfolgt. Da das Schwenken von der ersten Position in die zweite Position nicht blockiert ist, schwenken die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 daher nach unten, d. h. sie klappen auf, bis sie mit ihrer Unterseite auf der Befestigung 6, genauer gesagt auf einer Auflagefläche der Befestigung 6, aufliegen. Sie sind nun radial zum Verdichtungswerkzeug 2 ausgerichtet, greifen während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs 2 in die Säulenspurwandung SPW ein, reißen diese auf und lösen dadurch Bodenmaterial aus der Säulenspurwandung SPW heraus, welches nach unten fällt und bei einem nachfolgenden Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 durch dieses zu verdichten ist.
• Dieses Aufreißen der Säulenspurwandung SPW mittels der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 ist besonders wichtig, da durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 auch die Säulenspurwandung SPW schon verfestigt wird, so dass ohne ein derartiges mechanisches Aufreißen der Säulenspurwandung SPW und Herauslösen von Bodenmaterial sich nicht genug Bodenmaterial aus der Säulenspurwandung SPW lösen würde. Es stünde dann nicht genug Bodenmaterial für eine ausreichende Verdichtung zur Verfügung. Durch das Aufreißen der Säulenspurwandung SPW mittels der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 wird somit eine sehr hohe Verdichtung des Bodens erreicht. Um ein möglichst effektives Aufreißen der Säulenspurwandung SPW zu erreichen, sind daher vorzugsweise, wie bereits beschrieben, eine Mehrzahl von Aufreißwerkzeugen 2.1.2 vorteilhafterweise gleichmäßig über einen Umfang des Werkzeugkopfes 2.1 verteilt, beispielsweise, wie in den hier dargestellten Beispielen, fünf Aufreißwerkzeuge 2.1.2. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Werkzeugkopf 2.1 auch mehr oder weniger Aufreißwerkzeuge 2.1.2 aufweisen, beispielsweise drei, vier oder sechs oder sieben oder mehr Aufreißwerkzeuge 2.1.2.
• Ein Ablauf des Verfahrens zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mittels der Vorrichtung 1 zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung ist in den 6 bis 10 schematisch dargestellt. In 11 ist eine anders ausgebildete Vorrichtung 1 zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung dargestellt. Diese Vorrichtung 1 weist als Haltevorrichtung 5 einen Seilbagger auf, wobei das Verdichtungswerkzeug 2 und die Vibrationsvorrichtung 3 mittels der Halterung 4 an einem Seil des Seilbaggers hängen. Das Verdichtungswerkzeug 2 wird, wie in 6 dargestellt, an einer vorgegebenen Stelle, an welcher die Bodenverdichtung durchgeführt werden soll, positioniert und bis auf eine vorgegebene Sollversenktiefe TS von beispielsweise 4,5 Meter vertikal abgesenkt. Hierbei sind die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 in der ersten Position angeordnet, d. h. nach oben geklappt, so dass sie die Absenkbewegung und das Verdichten des Bodens nicht behindern. Sie klappen dabei zu Beginn des Absenkens durch das Absenken automatisch nach oben, wie bereits beschrieben. Die Sollversenktiefe TS richtet sich dabei nach dem jeweiligen zu verdichtenden Boden, d. h. nach einem jeweiligen zu erzeugenden Baugrund. Die jeweiligen Erfordernisse sind unter anderem abhängig von einem jeweiligen Gebäude oder Bauwerk, welches auf dem Baugrund errichtet werden soll, sowie von der Bodenbeschaffenheit des jeweiligen zu verdichtenden Bodens.
• Das Absenken, d. h. das Eindringen des Verdichtungswerkzeugs 2 in den Boden, erfolgt aufgrund der Absenkkraft. Zumindest ein Teil der Absenkkraft resultiert aus dem Eigengewicht des Verdichtungswerkzeugs 2, welches nach einem Absetzen des Verdichtungswerkzeugs 2 auf den Boden vollständig auf einem Bodenbereich unter dem Werkzeugkopf 2.1 lastet. Vorteilhafterweise erfolgt zusätzlich eine Krafteinwirkung durch die Haltevorrichtung 5 auf das Verdichtungswerkzeug 2, so dass sich die Absenkkraft aus dem Eigengewicht des Verdichtungswerkzeugs 2 und dieser zusätzlichen Krafteinwirkung durch die Haltevorrichtung 5 zusammensetzt.
• Zweckmäßigerweise ist die Halterung 4 mit einem Antrieb der Haltevorrichtung 5 verbunden, über welchen sie anzuheben und insbesondere auch angetrieben abzusenken ist, beispielsweise über jeweils mindestens ein Zugseil. Das Zugseil kann beispielsweise mit einer Hydraulikeinheit der Haltevorrichtung 5, beispielsweise des Baggers oder Krans, verbunden sein. Auf diese Weise ist durch den Antrieb der Haltevorrichtung 5, d. h. beispielsweise durch einen entsprechenden Absenkantrieb des Baggers oder Krans, eine Krafteinwirkung auf die Halterung 4 und über diese auf das Verdichtungswerkzeug 2 zu übertragen. Diese Kraft wirkt vertikal nach unten auf das Verdichtungswerkzeug 2 ein. Im Extremfall wirkt auf diese Weise das gesamte oder nahezu das gesamte Eigengewicht der Vorrichtung 1, mit Ausnahme des Eigengewichts des Verdichtungswerkzeugs 2, auf das Verdichtungswerkzeug 2 ein. Dies kann dazu führen, dass während des Absenkens des Verdichtungswerkzeugs 2 die Haltevorrichtung 5 zumindest teilweise vom Boden abgehoben wird. Die Absenkkraft setzt sich somit aus dem Eigengewicht des Verdichtungswerkzeugs 2 und der jeweiligen Krafteinwirkung durch die Haltevorrichtung 5 auf das Verdichtungswerkzeug 2 zusammen. Die maximal mögliche Absenkkraft entspricht dann dem Eigengewicht der gesamten Vorrichtung 1 oder zumindest nahezu diesem Eigengewicht.
• Die Absenkkraft, mit welcher das Verdichtungswerkzeug 2 auf diese Weise abgesenkt wird, kann beispielsweise bis zu 20 Tonnen oder auch bis zu 30 Tonnen betragen. Auf diese Weise wirkt durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 auf den Boden ein Absenkdruck PE vom Werkzeugkopf 2.1 aus auf den Boden ein. Zusätzlich werden durch die aufgesetzte Vibrationsvorrichtung 3 vertikal wirkende Vibrationsbewegungen des Verdichtungswerkzeugs 2 erzeugt, wodurch auf den Boden über den Werkzeugkopf 2.1 auch ein Vibrationsdruck PV einwirkt. Eine Stärke des Vibrationsdrucks PV ist vorteilhafterweise über die Vibrationsvorrichtung 3 vorgebbar. In 12 sind der Absenkdruck PE und der Vibrationsdruck PV im Zeitverlauf t des Verfahrens dargestellt.
• Aufgrund dessen sinkt das Verdichtungswerkzeug 2 sukzessiv bis auf die vorgegebene Sollversenktiefe TS in den Boden ein, wobei Bodenmaterial durch die kegelstumpfförmige Wirkfläche 2.1.1 des Werkzeugkopfes 2.1 sowohl seitlich als auch nach unten verdrängt und auf diese Weise bereits verdichtet wird. Auf diese Weise verdichtetes Bodenmaterial VBM bildet nach erfolgreicher Durchführung des Verfahrens die Baugrundsäule BS. Durch das Eindringen des Verdichtungswerkzeugs 2 wird eine Säulenspur SP erzeugt, welche in diesem Stadium des Verfahrens noch einen Hohlraum aufweist.
• Ist der Werkzeugkopf 2.1 auf der vorgegebenen Sollversenktiefe TS angekommen, so wird er um eine vorgegebene Hubhöhe H wieder angehoben, beispielsweise um 50 cm bis 80 cm, wie in 7 dargestellt. Dies erfolgt mittels der Haltevorrichtung 5, an welcher das Verdichtungswerkzeug 2 befestigt ist, d. h. mittels des Baggers oder Krans. Während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs 2 kann die Vibrationsvorrichtung 3 abgeschaltet werden oder eingeschaltet bleiben. Durch das Anheben des Verdichtungswerkzeugs 2 schwenken die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 zu Beginn des Anhebens auf die oben beschriebene Weise automatisch in die zweite Position, d. h. sie klappen nach unten, so dass sie seitlich über den Werkzeugkopf 2.1 überstehen.
• Durch diese nach unten geklappten Aufreißwerkzeuge 2.1.2 wird während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs 2 um die vorgegebene Hubhöhe H Bodenmaterial aus der seitlichen Säulenspurwandung SPW herausgebrochen, welches als loses Bodenmaterial LBM in den Hohlraum der Säulenspur SP unter den Werkzeugkopf 2.1 fällt.
• Um das Herausbrechen des Bodenmaterials aus der seitlichen Säulenspurwandung SPW zu begünstigen, wird vorzugsweise nach dem Anheben des Verdichtungswerkzeugs 2 um die vorgegebene Hubhöhe H und vor einem nachfolgenden Absenken das Verdichtungswerkzeug 2 eine vorgegebene Zeitdauer, beispielsweise einige Sekunden, in der angehobenen Stellung bei aktivierter Vibrationsvorrichtung 3 verharrt, so dass loses Bodenmaterial LBM nachsacken und unter den Werkzeugkopf 2.1 gelangen kann.
• Nachdem das Verdichtungswerkzeug 2 um die vorgegebene Hubhöhe H angehoben wurde, wird es, wie in 8 dargestellt, unter eingeschalteter Vibrationsvorrichtung 3 wieder abgesenkt, so dass wieder über den Werkzeugkopf 2.1 der Absenkdruck PE und der Vibrationsdruck PV auf den Boden einwirken und das aus der seitlichen Säulenspurwandung SPW herausgebrochene lose Bodenmaterial LBM verdichtet wird. Durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 werden zu Beginn des Absenkens die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 wieder automatisch zurück in die erste Position geschwenkt, d. h. wieder nach oben und an das Verdichtungswerkzeug 2 angeklappt. Auf diese Weise behindern sie die Absenkbewegung und das Verdichten des Bodens nicht. Das Verdichtungswerkzeug 2 wird soweit abgesenkt, bis dem Absenken ein vorgegebener Widerstand entgegenwirkt. Dies ist, da sich nun zusätzliches loses Bodenmaterial LBM in dem Hohlraum der Säulenspur SP unter dem Werkzeugkopf 2.1 befindet, welches zu verdichten ist, bereits vor der Sollversenktiefe TS der Fall. D. h. bei diesem erneuten Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 wird die Sollversenktiefe TS nicht mehr erreicht.
• Bei nachfolgenden Anhebe- und Absenkvorgängen auf die beschriebene Weise wirkt dem Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2 der vorgegebene Widerstand bereits entgegen, bevor eine Versenktiefe T einer vorhergehenden Absenkung erreicht wird, da, wie in 9 dargestellt, durch die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 stets mehr Bodenmaterial aus der seitlichen Säulenspurwandung SPW herausgelöst wird und sich als loses Bodenmaterial LBM aus der seitlichen Säulenspurwandung SPW im jeweils noch vorhandenen Hohlraum der Säulenspur SP unter dem Werkzeugkopf 2.1 ansammelt und von diesem jeweils verdichtet wird. Der vorgegebene Widerstand und/oder der Vibrationsdruck PV werden so vorgegeben, dass das Verdichtungswerkzeug 2 jeweils dann wieder angehoben wird, wenn eine ausreichende Verdichtung des durch das Verdichtungswerkzeug 2 verdichteten Bodenmaterials VBM unter dem Werkzeugkopf 2.1 erreicht ist. Durch Einsatz eines auf den jeweiligen zu verdichtenden Boden angepassten Verdichtungswerkzeugs 2 mit einem hohen oder geringen Eigengewicht und/oder durch Verwendung einer entsprechend schweren Haltevorrichtung 5, beispielsweise eines Baggers oder Krans mit einem hohen Eigengewicht, kann auch der auf den zu verdichtenden Boden einwirkende Absenkdruck PE entsprechend den jeweiligen Erfordernissen vorgegeben werden.
• Unter der Entgegenwirkung des vorgegebenen Widerstandes bei dem erneuten Absenken ist zu verstehen, dass eine vorgegebene Absenkgeschwindigkeit unterschritten wird oder, dass innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ein Mindestwert eines Absenkweges nicht mehr erreicht wird. Dies kann beispielsweise automatisch ermittelt werden, zum Beispiel durch entsprechende Sensoren. Alternativ kann dies auch durch einen Anlagenführer der Vorrichtung 1 festgestellt werden.
• Die Verfahrensschritte des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs 2 jeweils um die vorgegebene Hubhöhe H, wobei durch die ausgeklappten, d. h. in die zweite Position geschwenkten Aufreißwerkzeuge 2.1.2, welche in dieser zweiten Position seitlich über den Werkzeugkopf 2.1 überstehen, Bodenmaterial aus der seitlichen Säulenspurwandung SPW herausgebrochen wird und als loses Bodenmaterial LBM in den Hohlraum der Säulenspur SP unter den Werkzeugkopf 2.1 fällt, und das nachfolgende Absenken des Verdichtungswerkzeugs 2, bis diesem der vorgegebene Widerstand entgegenwirkt, werden daher so oft wiederholt, bis dem Absenken der vorgegebene Widerstand bereits entgegenwirkt, wenn sich das Verdichtungswerkzeug 2 auf einer vorgegebenen Endposition EP befindet, welche in 10 dargestellt ist. Diese vorgegebene Endposition EP befindet sich üblicherweise im Bereich der Bodenoberfläche bzw. nahe der Bodenoberfläche, um einen Baugrund zu erhalten, welcher sowohl oberflächlich als auch in größeren Tiefen stabil ist.
• D. h. es erfolgt ein wiederkehrendes Anheben, welches mit oder ohne Vibrationsbewegungen, also mit ein- oder abgeschalteter Vibrationsvorrichtung 3 durchgeführt werden kann und bei welchem stets die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 in die zweite Position geschwenkt sind, d. h. aufgeklappt sind, und Absenken mit eingeschalteter Vibrationsvorrichtung 3 unter Verdichtung des losen Bodenmaterials LBM, d. h. unter Bildung des verdichteten Bodenmaterials VBM, wobei stets die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 in die erste Position geschwenkt sind, d. h. nach oben geklappt sind. Durch eine derartige oszillierende oder alternierende Auf- und Abbewegung erfolgt ein stetiger Materialaufbau mit verdichtetem Bodenmaterial VBM in der Säulenspur SP, so dass die extrem verdichtete Säulenspur SP, d. h. die Säulenspur SP mit extrem verdichtetem Bodenmaterial VBM, schrittweise in Richtung einer Bodenoberfläche ausgebildet wird.
• Alternativ zum vertikalen Absenken und Anheben des Verdichtungswerkzeugs 2 zum Ausbilden einer vertikalen Baugrundsäule BS ist das Verdichtungswerkzeug 2 auf die oben beschriebene Weise auch schräg nach unten abzusenken, um eine entsprechend schräge Baugrundsäule BS auszubilden. Hierzu ist das Verdichtungswerkzeug 2 nicht vertikal, sondern entsprechend schräg auszurichten. In diesem Fall erfolgen auch die Vibrationsbewegungen nicht vertikal, sondern entsprechend in Längsrichtung des Verdichtungswerkzeugs 2.
• In 10 ist die Säulenspur SP mit verdichtetem Bodenmaterial VBM gefüllt, so dass die Baugrundsäule BS aus extrem verdichtetem Bodenmaterial VBM bis zur vorgegebenen Endposition EP des Verdichtungswerkzeugs 2 ausgebildet ist. Da, wie bereits erwähnt, die radiale Ausdehnung der Verdrängungs- und Verdichtungswirkung auf das Bodenmaterial aufgrund der kegelstumpfförmig ausgebildeten Wirkfläche 2.1.1 des Werkzeugkopfes 2.1 mindestens ein Zweifaches bis Dreifaches des Kegeldurchmessers DK des Werkzeugkopfes 2.1 beträgt, bildet sich, wie in den 6 bis 10 dargestellt, um die Baugrundsäule BS herum zudem ein von der Verdichtungswirkung beeinflusster Bereich B aus.
• Der vertikale Absenkdruck PE des Verdichtungswerkzeugs 2 aufgrund der Absenkkraft, welche sich aus dem Eigengewicht des Verdichtungswerkzeugs 2 und vorzugsweise zusätzlich aus der auf das Verdichtungswerkzeug 2 einwirkenden Haltevorrichtung 5 resultiert, die das Verdichtungswerkzeug 2 nach unten presst, sowie der zusätzlich wirkende vertikaler Vibrationsdruck PV, welcher vorzugsweise hochfrequent ist aufgrund hochfrequenter Vibrationsbewegungen des Verdichtungswerkzeugs 2, erzeugt durch die Vibrationsvorrichtung 3, werden durch die Deckfläche 2.1.1.2 der kegelstumpfförmigen Wirkfläche 2.1.1 des Werkzeugkopfes 2.1 vertikal und an durch die Kegelmantelfläche 2.1.1.1 gebildeten schrägen Werkzeugkopfflächen der Wirkfläche 2.1.1 durch dort gebildete Kräftepaare mit horizontalen und vertikalen Kraftrichtungsanteilen sowohl vertikal als auch horizontal in den Baugrund, d. h. in den zu verdichtenden Boden eingeleitet. Auf diese Weise erfolgt die Bodenverdichtung sowohl unter dem Verdichtungswerkzeug 2 als auch seitlich des Verdichtungswerkzeugs 2, so dass die mit dem verdichteten Bodenmaterial VBM gefüllte Säulenspur SP, d. h. die fertiggestellte Baugrundsäule BS einen größeren Durchmesser als das Verdichtungswerkzeug 2 bzw. dessen Werkzeugkopf 2.1 aufweist.
• Das Verdichten des Bodens mittels des Verdichtungswerkzeugs 2 erfolgt dabei nicht nur durch die Vibrationen der Vibrationsvorrichtung 3, sondern zusätzlich auch durch eine hohe Druckkraft, nämlich durch die Absenkkraft, mit welcher das Verdichtungswerkzeug 2 abgesenkt wird. Diese zusätzliche Druckkraft, d. h. die Absenkkraft, mit welcher das Verdichtungswerkzeug 2 abgesenkt wird, kann, wie bereits erwähnt, beispielsweise bis zu 20 Tonnen oder auch bis zu 30 Tonnen betragen. Die Verdichtung des Bodens erfolgt auf diese Weise mittels der Vorrichtung 1 und des Verfahrens durch eine Vollverdrängung, durch die Vibrationsbewegungen und den daraus resultierenden Vibrationsdruck PV sowie durch die zusätzliche hohe Druckkraft, aus welcher ein entsprechender Absenkdruck PE resultiert.
• Durch dieses Verfahren tritt im Baugrund eine so genannte Verdrängungswelle auf, wobei diese, da die Baugrundsäulen BS mit einer aufgesetzten Vibrationsvorrichtung 3 erzeugt werden und das Verdichtungswerkzeug 2 zu Beginn des Verfahrens von der Bodenoberfläche aus durch den Absenkdruck PE und den Vibrationsdruck PV bis auf die Sollversenktiefe TS abgesenkt wird, bereits an der Bodenoberfläche beginnt. Dabei kann es durch die Verdichtung des Bodenmaterials sowie durch das Nachrutschen und Verdichten auch dieses nachgerutschten losen Bodenmaterials LBM je nach Lagerungsdichte des Bodens zu einer Trichterbildung im Bereich der Bodenoberfläche über der Bodenverdichtung kommen, wie in 10 beispielhaft dargestellt.
• Wenn dies erforderlich ist, wird dieser sich durch die Bodenverdichtung an der Bodenoberfläche über der Bodenverdichtung ausbildende Absenktrichter AT zweckmäßigerweise während und/oder nach der mittels des Verdichtungswerkzeugs 2 durchgeführten Bodenverdichtung mit einem verdichtungsfähigen Material VM aufgefüllt, beispielsweise mit einem gut verdichtungsfähigen Mineralstoff wie Kies in Rundkorngemischform oder Brechkorngemischform oder mit Bodenmaterial, welches dem zu verdichtenden Bodenmaterial entspricht oder ähnelt. Dies erfolgt, wie hier beispielhaft in den 8 und 9 dargestellt, vorzugsweise bereits während des Verfahrens Zug um Zug, so dass kein zu großer Absenktrichter AT, keine Hohlräume und kein zu großer Materialverlust an der Bodenoberfläche entstehen. Die Materialzugabe erfolgt von außen in den entstehenden Absenktrichter AT.
• In 12 sind ein zeitlicher Verlauf des Absenkdrucks PE, des Vibrationsdrucks PV und der Versenktiefe T im Verfahrensverlauf schematisch dargestellt. Diese werden während des Verfahrens ständig ermittelt und überwacht. Dadurch ist sofort feststellbar, wann der Absenkung des Verdichtungswerkzeugs 2 der vorgegebene Widerstand entgegenwirkt, so dass es erneut anzuheben ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn bei einem maximal wirkenden Absenkdruck PE und bei einem vorgegebenen maximalen Vibrationsdruck PV keine weitere Absenkung oder zumindest keine signifikante weitere Absenkung des Verdichtungswerkzeugs 2 zu verzeichnen ist. Des Weiteren ist das Anheben des Verdichtungswerkzeugs 2 jeweils um die vorgegebene Hubhöhe H überwachbar und es ist feststellbar, warm die vorgegebene Endposition EP des Verdichtungswerkzeugs 2 erreicht ist und das Verfahren beendet werden kann. Diese fortlaufende Erfassung des Absenkdrucks PE, des Vibrationsdrucks PV und der Versenktiefe T während des Verfahrens ermöglichen zudem eine Auswertung zur Qualitätssicherung. Dadurch ist beurteilbar, ob der auf diese Weise verdichtete Boden und der dadurch erzeugte Baugrund den jeweiligen Erfordernissen entspricht, d. h. beispielsweise eine ausreichende Tragkraft, Festigkeit und Stabilität aufweist, um geplante Baumaßnahmen auf dem Baugrund durchführen zu können, beispielsweise ein Bauwerk oder Gebäude darauf zu errichten.
• Das Verfahren ist ein Vollverdrängungsverfahren für eine Untergrundverbesserung. Dabei wird eine Lagerungsdichte eines bestehenden Baugrundes signifikant erhöht. Dabei wird, im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Vollverdrängungs- und Teilverdrängungsverfahren, vorzugsweise kein zusätzliches Schottermaterial von außen in die sich während des Verfahrens ausbildende Säulenspur SP eingebracht, sondern diese wird mit Bodenmaterial gefüllt.
• Eine extrem hohe Rammenergie der auf das Verdichtungswerkzeug 2 aufgesetzten Vibrationsvorrichtung 3, beispielsweise eines Aufsatzrüttlers, bewirkt durch den Vollverdrängungsprozess, dass das Bodenmaterial, beispielsweise der Kies, seitlich in eine Bodenmatrix gerammt und gepresst wird und dadurch eine Kompaktierung und Verdichtung des Bodens und eine Verringerung eines Porenanteils bewirkt wird. Aufgrund der kegelstumpfförmigen Wirkfläche 2.1.1 des Werkzeugkopfes 2.1 und der vertikalen Vibrationsbewegung des Verdichtungswerkzeugs 2 erfolgt eine überwiegend vertikale Krafteinleitung in den Säulenspuren SP, so dass extrem steife Baugrundsäulen BS herstellbar sind, die vergleichbare Eigenschaften aufweisen wie mittels Verfahren und Vorrichtungen nach dem Stand der Technik erzeugte Baugrundsäulen.
• Die Baugrundverbesserung wird daher ausschließlich durch eine Umlagerung und Verdichtung des anstehenden Baugrundes erreicht. Dabei wird eine verdichtete Baugrundsäule BS, d. h. eine mit verdichtetem Bodenmaterial VBM gefüllte Säulenspur SP erstellt, die als linienförmiges Tragglied den Baugrund in der Umgebung der Säulenspur SP verbessert. D. h. der Boden wird durch den Verdrängungsvorgang beim Einbringen der Baugrundsäulen BS gegenüber einem Ausgangszustand deutlich verbessert.
• Die mit fertig verdichtetem Bodenmaterial VBM gefüllte Säulenspur SP, d. h. die fertiggestellte Baugrundsäule BS im Boden, welche unter Verwendung des Verdichtungswerkzeugs 2 und des Werkzeugkopfes 2.1 mit einem Kegeldurchmesser DK von 40 cm erzeugt wurde, weist im hier dargestellten Beispiel einen Säulendurchmesser von ca. 55 cm bis 65 cm auf. Bei dicht nebeneinander mittels des Verfahrens erzeugten derartigen Verdichtungspunkten, d. h. bei einer Mehrzahl derartiger Baugrundsäulen BS, beispielsweise linienförmig oder in einem flächenförmigen Raster und beispielsweise in einem Abstand von einem Meter zueinander, entsteht eine vollständige Homogenisierung des Bodens mit einer deutlich erhöhten Dichte und höherer Scherfestigkeit und Steifigkeit.
• Da die mittels des Verfahrens erzeugten verdichteten Baugrundsäulen BS des Bodenmaterials Vollverdrängungssäulen sind, ist das Verfahren vorzugsweise in wassergesättigten locker bis mitteldicht gelagerten Sanden und Kiesen mit untergeordneten Feinkornanteilen anzuwenden. Das Verfahren bewirkt die Homogenisierung und Verdichtung von Sand und/oder Kies. Im Falle der Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung mit Bindemitteln weisen die Baugrundsäulen BS eine wesentlich höhere Tragfähigkeit auf, die bei größeren Durchmessern des Verdichtungswerkzeugs 2 Werte von über 800 kN bis 1500 kN erreichen können.
• In 5 ist eine weitere Ausführungsform des Verdichtungswerkzeugs 2 dargestellt. Sowohl die erste, in den 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform als auch die zweite, in 5 dargestellte Ausführungsform sind im Verfahren, welches in den 6 bis 10 dargestellt ist, zu verwenden. In der in 5 dargestellten Ausführungsform weist das Verdichtungswerkzeug eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen 7 auf. Diese Austrittsöffnungen 7 dienen der Zuführung zumindest einen fluiden Mediums in die Säulenspur und/oder in einen angrenzenden Bodenbereich. Bei dem fluiden Medium kann es sich beispielsweise um Wasser, Luft oder ein anderes Gas oder Gasgemisch, ein hydraulisches Bindemittel, beispielsweise Bentonit oder eine Bentonit-Zementsuspension oder Zement, Kalk oder Gemische aus diesen Stoffen handeln. Dieses zumindest eine fluide Medium wird mittels eines externen Aggregates 8, welches mit Zuführleitungen 9 des Verdichtungswerkzeugs 2 verbunden ist, den Austrittsöffnungen 7 zugeführt. Die Austrittsöffnungen 7 sind vorzugsweise mittels jeweils eines Ventils, beispielsweise mittels jeweils eines Kugelventils, zu öffnen und zu verschließen. Bei dieser Ausführungsform des Verdichtungswerkzeugs 2 sind das untere Ende des Verdichtungswerkzeugs 2 und die kegelstumpfförmige Wirkfläche 2.1.1 mit Ausnahme der Austrittsöffnungen 7 vollständig verschlossen und auch die Austrittsöffnungen 7 sind zweckmäßigerweise jeweils durch Ventile zu verschließen.
• Die Austrittsöffnungen 7 sind im dargestellten Beispiel im Werkzeugkopf ausgebildet, und zwar sowohl in der kegelstumpfförmigen Wirkfläche 2.1.1 als auch in den vertikalen Seitenwänden des Werkzeugkopfes über und unter den Aufreißwerkzeugen 2.1.2. Durch das Einbringen zumindest eines als Bindemittel ausgebildeten fluiden Mediums wird der Boden zusätzlich verfestigt und/oder undurchlässig. Zur Verbesserung der Verdichtungsprozesse kann es sinnvoll oder notwendig sein, als fluides Medium Wasser in die Säulenspur SP einzufüllen.
• Die Zuführleitungen 9 sind bei dem hier dargestellten hohlen Verdichtungswerkzeug 2 im Verdichtungswerkzeug 2 verlegt und im Bereich eines oberen Endes des säulenförmigen Grundkörpers 2.2 unterhalb der aufgesetzten oder aufzusetzenden Vibrationsvorrichtung 3 durch eine Öffnung hindurch aus dem säulenförmigen Grundkörper 2.2 herausgeführt, um sie mit dem Aggregat 8 zu verbinden. Bei einem säulenförmigen Grundkörper 2.2 des Verdichtungswerkzeugs 2, welcher keinen hohlen Innenraum hat, sind die Zuführleitungen 9 außen zu verlegen. Über das Verdichtungswerkzeug erfolgt die Zuführung des fluiden Mediums zur Säulenspur SP vorzugsweise unter Druck. Alternativ oder zusätzlich kann, wie beispielhaft in 7 dargestellt, zumindest ein solches fluides Medium, beispielsweise Wasser oder ein hydraulisches Bindemittel, direkt von oben mittels eines Schlauches in die Säulenspur eingefüllt werden. Dies erfolgt dann zweckmäßigerweise druckfrei, ebenfalls mittels eines externen Aggregates 8. Das externe Aggregat 8 weist beispielsweise eine Pumpe auf und, falls erforderlich, eine Mischereinheit zum Mischen der Suspension des hydraulischen Bindemittels.
• In einer hier nicht näher dargestellten Ausführungsform kann das Verdichtungswerkzeug 2 alternativ oder zusätzlich eine so genannte Vakuumlanze aufweisen, welche mit einer Absaugvorrichtung verbunden ist. Dadurch ist in der Säulenspur ein Unterdruck zu erzeugen, wodurch im zu verdichtenden Bodenbereich eine Druckentspannung im Grundwasser zu erreichen ist.
• In 11 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt, mittels welcher ebenfalls das Verfahren gemäß den 6 bis 10 durchzuführen ist. In dieser Ausführungsform ist die Haltevorrichtung 5 als ein Seilbagger ausgebildet. Das Verdichtungswerkzeug 2, auf dessen oberes Ende die Vibrationsvorrichtung 3 aufgesetzt ist, ist dabei mittels der Halterung 4 mit einem Seil des Seilbaggers verbunden, so dass es an diesem Seil frei hängt.
• Dem Einsatzgebiet von beispielsweise als Tragraupe ausgebildeten Haltevorrichtungen 5 mit Mäklern, wie in den 6 bis 10 dargestellt, sind Grenzen gesetzt. Daher wird bei zu erreichenden Verdichtungstiefen von über 20 Metern, beispielsweise bei Verdichtungstiefen von bis zu 25 Meter, 30 Meter oder 40 Meter, der Werkzeugkopf 2.1 an ein sehr langes Rammrohr montiert, so dass entsprechend ein sehr langes Verdichtungswerkzeug 2 ausgebildet wird. Die Vibrationsvorrichtung 3 wird oben auf dem Verdichtungswerkzeug 2, d. h. auf dem oberen Ende des Rammrohres montiert. Bei dieser Variante der Vorrichtung 1 zur Bodenverdichtung und Bodenverfestigung setzt sich die Absenkkraft aus dem Eigengewicht des säulenförmigen Verdichtungswerkzeugs, welches das Rammrohr umfasst, und dem Eigengewicht der Vibrationsvorrichtung 3 zusammen. Das Verdichtungswerkzeug 2, welches das Rammrohr umfasst, und die Vibrationsvorrichtung 3 hängen in diesem Falle frei am Seil. Als Haltevorrichtung 5, auch als Traggerät bezeichnet, wird beispielsweise ein Seilbagger verwendet. Sobald das Verdichtungswerkzeug 2 auf den Boden aufgesetzt wird, wird die Vibrationsvorrichtung 3 gestartet, so dass das Verdichtungswerkzeug 2 durch den Absenkdruck PE, gebildet durch das Eigengewicht des Verdichtungswerkzeugs 2 und der Vibrationsvorrichtung 3, und durch den Vibrationsdruck PV durch die Wirkung der Vibrationsvorrichtung 3, d. h. durch deren Vibrationen, Schwingungen und/oder Rammungen durch Absenken des Seils bis in die Sollversenktiefe in den Boden eingefahren, wieder angehoben und dann erneut so oft abgesenkt und angehoben ist, bis der Boden bis zur Oberfläche oder bis nahe der Oberfläche verdichtet ist. Dabei weist das Verdichtungswerkzeug 2 aufgrund des sehr langen Rammrohres ein sehr hohes Eigengewicht auf, so dass die Absenkkraft beispielsweise der mit der Mäklervorrichtung erreichbaren Absenkkraft entspricht.
• In 13 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt. Hier ist das Verdichtungswerkzeug 2 an einem Starrmäkler oder Teleskopmäkler als Haltevorrichtung 5 angeordnet, wobei die Vibrationsvorrichtung 3 am oberen Ende des Verdichtungswerkzeugs 2 angeordnet und an der Halterung 4 des Mäklers befestigt ist. Mit dem Grundkörper 2.2 ist die Vibrationsvorrichtung 3 verschraubt. Der Werkzeugkopf 2.1 weist Austrittsöffnungen 7 für das fluide Medium auf, welche unterhalb der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 am Werkzeugkopf 2.1 angeordnet sind. Eine Zuführleitung 9 verläuft von den Austrittsöffnungen 7 aus durch den hohlen Grundkörper 2.2 und tritt im Bereich seines oberen Endes seitlich aus diesem aus. Die Befestigungen 6 für die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 überragen den Werkzeugkopf 2.1 in dieser Ausführungsform seitlich nicht, wie in 15 in einer Detailansicht des Werkzeugkopfes 2.1 aus 14 nochmals gezeigt. 15 zeigt eine Querschnittdarstellung dieses Werkzeugkopfes 2.1. Die Schwenkachsen S für die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 sind bei dieser Ausführungsform, wie auch bei den anderen bisher dargestellten Ausführungsformen, beispielsweise als Vollmaterialachsen oder als Hohlwellen ausgebildet.
• 16 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1, bei welcher das Verdichtungswerkzeug 2 an einem Seilbagger als Haltevorrichtung 5 angeordnet ist, wobei hier von der Haltevorrichtung 5 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich das Seil des Seilbaggers gezeigt ist. Auch hier ist die Vibrationsvorrichtung 3 am oberen Ende des Verdichtungswerkzeugs 2 angeordnet und mit dem Grundkörper 2.2 verschraubt.
• In 17 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt, bei welcher die Vibrationsvorrichtung 3 direkt am Werkzeugkopf 2.1 angeordnet ist, beispielsweise in einem Gehäuse, durch welches die Vibrationsvorrichtung 3 gegen Schmutz und Wasser geschützt ist. Diese Ausführungsform der Vibrationsvorrichtung 3 ist über eine elastische Kupplung 12 mit dem Grundkörper 2.2 des Verdichtungswerkzeugs 2 verbunden. Da diese Ausführungsform der Vibrationsvorrichtung 3 somit am und/oder im Werkzeugkopf 2.1 angeordnet und befestigt ist und die Vibrationsvorrichtung 3 sowie der Werkzeugkopf 2.1 mittels der elastischen Kupplung 12 vom Grundkörper 2.2 bezüglich der Schwingungsübertragung zumindest teilweise entkoppelt sind, bevorzugt vollständig oder nahezu vollständig entkoppelt, überträgt die Vibrationsvorrichtung 3 ihre Schwingungen lediglich auf den Werkzeugkopf 2.1. D. h. die Vibrationsvorrichtung 3 muss nicht das gesamte Verdichtungswerkzeug 2 in entsprechende Schwingungsbewegungen versetzen, sondern lediglich den Werkzeugkopf 2.1. Auf diese Weise ist ein geringerer Energieaufwand der Vibrationsvorrichtung 3 erforderlich. Im dargestellten Beispiel stehen die Befestigungen 6 der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 am Werkzeugkopf 2.1 seitlich über. Des Weiteren weist der Werkzeugkopf 2.1 auch in diesem Beispiel seitliche Austrittsöffnungen 7 unterhalb der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 auf.
• Die 18 und 19 zeigen eine weitere Ausführungsform des Werkzeugkopfes 2.1, bei welcher die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 nicht mittels einer Vollmaterial- oder Hohlwellenschwenkachse am Werkzeugkopf 2.1 schwenkbar angeordnet sind, sondern in Gummi gelagert sind und auf diese Weise schwenkbar am Werkzeugkopf 2.1 angeordnet sind. D. h. die Befestigungen 6, über welche die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 schwenkbar am Werkzeugkopf 2.1 angeordnet sind, sind aus dem Gummi, vorzugsweise aus einem Spezialgummi, zum Beispiel aus einem Elastomer, ausgebildet oder weisen einen solchen Gummi auf. In 19 ist dies in einer Querschnittdarstellung gezeigt. Auch hier weist der Werkzeugkopf 2.1 seitliche Austrittsöffnungen 7 unterhalb der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 auf und die Befestigungen 6 der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 stehen nicht über den Werkzeugkopf 2.1 seitlich über.
• In weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsformen kann der Werkzeugkopf 2.1 anstatt der schwenkbaren Aufreißwerkzeuge 2.1.2 beispielsweise auch starr befestigte Flügel aufweisen, welche analog der zweiten Position der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 am Werkzeugkopf 2.1 befestigt sind. Diese Flügel können beispielsweise in Umfangsrichtung des Werkzeugkopfes 2.1.2 schräg nach unten ausgerichtet sein.
• In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform weist der Werkzeugkopf 2.1 beispielsweise keine kegelstumpfförmige Wirkfläche 2.1.1 auf, sondern lediglich die Befestigungen 6, in welchen die Aufreißwerkzeuge 2.1.2 schwenkbar angeordnet sind. Die Befestigungen 6 sind beispielsweise jeweils als ein U-Profil ausgebildet. Je nach Anzahl der Aufreißwerkzeuge 2.1.2 und somit der Befestigungen 6 kann sich dadurch beispielsweise eine Sternform oder Kreuzform des Werkzeugkopfes 2.1 ergeben. Die Befestigungen können auch miteinander verbunden sein, beispielsweise durch dreieckförmige Flächenelemente zwischen jeweils zwei der Befestigungen 6. Dadurch ergibt sich eine Vieleckform des Werkzeugkopfes 2.1, beispielsweise ein Achteck oder ein Sechseck.
• Das Verfahren zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung ist nicht nur an Land durchführbar, sondern auch unter Wasser, um einen jeweiligen Gewässergrund, beispielsweise einen Bodenbereich am Grund eines Bachs, Flusses, Kanals, Teichs, Sees oder Meeres oder eines anderen Gewässers zu verdichten. In diesem Fall ist die Vorrichtung 1 beispielsweise auf einem Wasserfahrzeug angeordnet, zum Beispiel auf einem Schiff oder einem anderen Wasserfahrzeug mit oder ohne eigenen Antrieb. Beispielsweise ist dazu die Haltevorrichtung 5, welche zum Beispiel als Bagger, Seilbagger, Kran oder Tragraupe ausgebildet ist, auf diesem Wasserfahrzeug positioniert oder sie ist ein Bestandteil dieses Wasserfahrzeugs. Das Verfahren wird dann unter Wasser analog zum beschriebenen Ablauf an Land durchgeführt, um den Bodenbereich am Grund des Gewässers zu verdichten. Des Weiteren können mit dem Verfahren auch aufgespülte Böden verdichtet werden.
• In den 20 und 21 ist ein Beispiel einer mittels des Verfahrens durchgeführten Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung eines Baugrundes durch Ausbildung einer Mehrzahl von Baugrundsäulen BS dargestellt. Im hier dargestellten Beispiel wird das Verfahren zur Herstellung einer Tiefgründung durchgeführt, wobei zur Tiefgründung ein Gründungselement 10 in den Baugrund gerammt wird und ein vorgegebener Bereich des Baugrundes vor dem Einrammen und/oder nach dem Einrammen des Gründungselementes 10 mittels des oben beschriebenen Verfahrens durch den Einsatz des säulenförmigen Verdichtungswerkzeugs 2 an mehreren vorgegebenen Verdichtungspositionen des Baugrundes verdichtet und/oder verfestigt wird.
• Auf diese Weise ist beispielsweise eine Mastgründung für eine Stromleitung herzustellen, wobei die jeweilige Mastgründung aus einem so genannten Mono-Ramm-Rohr-Pfahl als Gründungselement 10 gebildet wird. Diese Monopfähle werden lediglich in den Baugrund eingerammt. Am jeweiligen derartigen Gründungselement 10 wird dann über eine Flanschverbindung das durch das Gründungselement 10 gehaltene Element 11, welches bei der Mastgründung für die Stromleitung als Strommast ausgebildet ist, aufgeschraubt, und danach kann die Montage der Stromleitungen am Strommast erfolgen. Dies kann nur in Baugrundverhältnissen angewandt werden, bei welchen bis in größere Tiefen leicht rammbare Böden anstehen. Dies sind in der Regel strukturschwache Böden, die zu großen Verformungen neigen. Durch die Verdichtung und/oder Verfestigung des Baugrundes wird eine Standsicherheit solcher beispielsweise als Monopfähle ausgebildeten Gründungselemente 10 und der daran angeordneten zu haltenden Elemente 11 erheblich gesteigert. Auf diese Weise wird eine Standsicherheit des Gründungselementes 10 und des daran angeordneten zu haltenden Elementes 11 deutlich gesteigert, da der verdichtete und/oder verfestigte Boden seitlich gegen das eingerammte Gründungselement 10 presst, wie in 20 durch fünfte Pfeile P5 schematisch dargestellt. Dadurch wird sichergestellt, dass das zu haltende Element 11 und das Gründungselement 10 auf das zu haltende Element 11 und über dieses auf das Gründungselement 10 einwirkenden Lasten, deren verschiedene mögliche Wirkrichtungen in 20 durch sechste Pfeile P6 schematisch dargestellt sind, standhalten, ohne ihre Position zu verändern, d. h. ohne zu kippen oder einzusinken.
• Zweckmäßigerweise werden die Verdichtungspositionen, an welchen das Verdichtungswerkzeug 2 eingesetzt wird, auf zumindest einem konzentrischen Kreis, bevorzugt, wie in 21 in einer Draufsicht von oben ersichtlich, auf mehreren konzentrischen Kreisen, um das in den Baugrund eingerammte Gründungselement 10 herum oder um eine Einrammposition herum, an welcher das Gründungselement 10 eingerammt werden soll, angeordnet. Diese Untergrundverbesserung in konzentrischen Kreisen durch das beschriebene Verfahren wird bevorzugt nach dem Einrammen des Pfahls, d. h. des Gründungselementes 10, durchgeführt. Dadurch wird zunächst ein leichtes Einrammen des Gründungselementes 10 in den noch nicht verdichteten und/oder verfestigten Baugrund ermöglicht und anschließend wird durch das Verdichten und/oder Verfestigen auf die beschriebene Weise ein verbesserter Baugrund ausgebildet, welche erheblich bessere Ergebnisse in statischen Berechnungen aufweist.
• Bei der Berechnung der Standsicherheit spielt die Lagerungsdichte der Böden eine große Rolle. Durch die zusätzliche Untergrundverbesserung ist der Baugrund erheblich verbessert und kann größere Bettungskräfte aufnehmen, so dass günstigere Ergebnisse in statischen Berechnungen erzielt werden oder die Verwendung von Monopfählen erst möglich wird. Somit besteht ein technisches und kommerzielles Interesse, die Bedingungen für die Gründung eines Monopfahls zu verbessern. Dies wird durch das beschriebene Verfahren erreicht. Die mit dem Verfahren als Gründungselement 10 verwendbaren Monopfähle sind beispielsweise als Stahlrohr mit einem Durchmesser von 150 cm bis 180 cm ausgebildet. Auch größere oder kleinere Durchmesser sind möglich. Des Weiteren sind auch andere Materialien möglich, beispielsweise Beton, Stahlbeton oder Holz. Auch einzelne Mikropfähle oder Gruppen von Mikropfählen können als Gründungselement 10 verwendet werden.
• Die Verdichtung des jeweiligen Bodenbereichs an unterschiedlichen Verdichtungspositionen kann bis in unterschiedliche Verdichtungstiefen durchgeführt werden, d. h. die Tiefe der ausgebildeten Baugrundsäulen BS kann voneinander abweichen. Dabei kann jede der Baugrundsäulen BS jeweils gleich tief sein wie das eingerammte Gründungselement 10 oder weniger tief oder tiefer. Beispielsweise nimmt bei Verdichtungspositionen, welche in unterschiedlichen Abständen zu dem in den Baugrund eingerammten Gründungselement 10 oder zu der Einrammposition, an welcher das Gründungselement 10 eingerammt werden soll, angeordnet sind, beispielsweise auf verschiedenen konzentrischen Kreisen, die Verdichtungstiefe, bis zu welcher die Verdichtung des jeweiligen Bodenbereichs durchgeführt wird, mit zunehmendem Abstand von dem in den Baugrund eingerammten Gründungselement 10 oder von der Einrammposition, an welcher das Gründungselement 10 eingerammt werden soll, ab oder zu. D. h. die Baugrundsäulen BS sind beispielsweise um so tiefer, je näher sie dem Gründungselement 10 oder dessen vorgesehener Einrammposition sind, oder sie sind um so tiefer, je weiter entfernt sie vom Gründungselement 10 oder von dessen vorgesehener Einrammposition sind.
• Bei abnehmender Verdichtungstiefe mit zunehmender Entfernung vom Gründungselement 10 oder von dessen vorgesehener Einrammposition wird auf diese Weise beispielsweise eine Tropfenform des verdichteten und/oder verfestigten Bodens ausgebildet, d. h. auf dem inneren konzentrischen Kreis wird der Boden bis in eine große Verdichtungstiefe verdichtet und/oder verfestigt und auf jedem weiteren konzentrischen Kreis nach außen stets bis in eine etwas geringere Tiefe. Auch die umgekehrte Vorgehensweise ist möglich. Des Weiteren können auch die Baugrundsäulen BS eines jeweiligen konzentrischen Kreises unterschiedliche Verdichtungstiefen aufweisen. Dies wird beispielsweise von einer jeweiligen Bodenbeschaffenheit vor der Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung und von einer durch die Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung zu erzielenden Bodenbeschaffenheit abhängig gemacht.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Verdichtungswerkzeug

2.1

Werkzeugkopf

2.1.1

Wirkfläche

2.1.1.1

Kegelmantelfläche

2.1.1.2

Deckfläche

2.1.2

Aufreißwerkzeug

2.2

Grundkörper

3

Vibrationsvorrichtung

4

Halterung

5

Haltevorrichtung

6

Befestigung

7

Austrittsöffnung

8

Aggregat

9

Zuführleitung

10

Gründungselement

11

gehaltene Element

12

Kupplung

AT

Absenktrichter

B

von der Verdichtungswirkung beeinflusster Bereich

BS

Baugrundsäule

DK

Kegeldurchmesser

DS

Spitzendurchmesser

EP

Endposition

H

Hubhöhe

LBM

loses Bodenmaterial

PE

Absenkdruck

PV

Vibrationsdruck

S

Schwenkachse

SP

Säulenspur

SPW

Säulenspurwandung

TS

Sollversenktiefe

T

Versenktiefe

t

Zeitverlauf

VBM

verdichtetes Bodenmaterial

VM

verdichtungsfähiges Material

P1

erster Pfeil

P2

zweiter Pfeil

P3

dritter Pfeil

P4

vierter Pfeil

P5

fünfter Pfeil

P6

sechster Pfeil

Claims (15)

1. Vorrichtung (1) zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung von Sanden und Kiesen nach DE 10 2012 223 992 B3, umfassend ein säulenförmiges Verdichtungswerkzeug (2) und eine Vibrationsvorrichtung (3), wobei das Verdichtungswerkzeug (2) vertikal in einen zu verdichtenden Bodenbereich abzusenken ist, welcher durch Vibrationen des Verdichtungswerkzeugs (2) zu verdichten ist, wobei das Verdichtungswerkzeug (2) zumindest an einem in den Bodenbereich abzusenkenden unteren Ende im Wesentlichen verschlossen ist und die Vibrationsvorrichtung (3) an einem oberen Ende auf das Verdichtungswerkzeug (2) aufsetzbar ist, wobei das Verdichtungswerkzeug (2) durch die Vibrationsvorrichtung (3) nur in vertikaler Richtung bewegbar ist, wobei das Verdichtungswerkzeug (2) an seinem unteren Ende einen Werkzeugkopf (2.1) aufweist, an welchem zumindest ein Aufreißwerkzeug (2.1.2) angeordnet ist, welches um eine horizontale Schwenkachse (S) in eine erste Position und in eine zweite Position schwenkbar ist, wobei es in der ersten Position im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug (2) ausgerichtet ist und in der zweiten Position im Wesentlichen radial zum Verdichtungswerkzeug (2) ausgerichtet ist und einen Durchmesser des Werkzeugkopfes (2.1) radial überragt, und wobei das zumindest eine Aufreißwerkzeug (2.1.2) aus Stahl ausgebildet ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkopf (2.1) eine im Wesentlichen geschlossene kegelstumpfförmige Wirkfläche (2.1.1) aufweist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Werkzeugkopf (2.1) über dessen Umfang gleichmäßig verteilt eine Mehrzahl von Aufreißwerkzeugen (2.1.2) angeordnet sind.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Haltevorrichtung (5), an welcher das Verdichtungswerkzeug (2) vertikal beweglich angeordnet ist, wobei das Verdichtungswerkzeug (2) mittels eines Antriebs der Haltevorrichtung (5) derart absenkbar ist, dass durch den Antrieb der Haltevorrichtung (5) während des Absenkens zumindest zeitweise eine Kraft in Absenkrichtung auf das Verdichtungswerkzeug (2) einwirkt.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungswerkzeug (2) zumindest eine Austrittsöffnung (7) für zumindest ein fluides Medium aufweist.
6. Verfahren zur Bodenverdichtung und/oder Bodenverfestigung von Sanden und Kiesen mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein säulenförmiges Verdichtungswerkzeug (2) vertikal in einen zu verdichtenden Bodenbereich abgesenkt wird und mittels einer Vibrationsvorrichtung (3) Vibrationen im Verdichtungswerkzeug (2) erzeugt werden, um den Bodenbereich zu verdichten, wobei durch die Vibrationsvorrichtung (3), welche auf ein oberes Ende des Verdichtungswerkzeugs (2) aufgesetzt wird, vertikale Vibrationsbewegungen des Verdichtungswerkzeugs (2) erzeugt werden, wobei das Verdichtungswerkzeug (2) durch eine Absenkkraft und durch die Vibrationsbewegungen auf eine vorgegebene Sollversenktiefe (TS) abgesenkt wird und danach zumindest einmal um eine vorgegebene Hubhöhe (H) angehoben wird und durch die Absenkkraft und die Vibrationsbewegungen wieder soweit erneut abgesenkt wird, bis dem erneuten Absenken ein vorgegebener Widerstand entgegenwirkt, wobei zumindest ein an einem Werkzeugkopf (2.1) an einem unteren Ende des Verdichtungswerkzeugs (2) angeordnetes Aufreißwerkzeug (2.1.2) durch das Absenken des Verdichtungswerkzeugs (2) in eine erste Position geschwenkt wird, in welcher es im Wesentlichen parallel zum Verdichtungswerkzeug (2) ausgerichtet ist, und durch das Anheben des Verdichtungswerkzeugs (2) in eine zweite Position geschwenkt wird, in welcher es im Wesentlichen radial zum Verdichtungswerkzeug (2) ausgerichtet ist und einen Durchmesser des Werkzeugkopfes (2.1) radial überragt, wobei mittels des zumindest einen Aufreißwerkzeugs (2.1.2) während des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs (2) eine Säulenspurwandung (SPW) aufgerissen wird und Bodenmaterial aus der Säulenspurwandung (SPW) herausgelöst wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anheben des Verdichtungswerkzeugs (2) um die vorgegebene Hubhöhe (H) und das nachfolgende Absenken alternierend so oft wiederholt wird, bis dem Absenken der vorgegebene Widerstand bereits entgegenwirkt, wenn sich das Verdichtungswerkzeug (2) auf einer vorgegebenen Endposition (EP) befindet.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich durch die Bodenverdichtung an einer Bodenoberfläche über der Bodenverdichtung ausbildender Absenktrichter (AT) während und/oder nach der mittels des Verdichtungswerkzeugs (2) durchgeführten Bodenverdichtung mit einem verdichtungsfähigen Material VM aufgefüllt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch das Verdichtungswerkzeug (2) auf den zu verdichtenden Bodenbereich einwirkender Absenkdruck (PE), ein einwirkender Vibrationsdruck (PV) und eine Versenktiefe (T) des Verdichtungswerkzeugs (2) ermittelt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Anheben des Verdichtungswerkzeugs (2) um die vorgegebene Hubhöhe (H) und vor dem nachfolgenden Absenken das Verdichtungswerkzeug (2) eine vorgegebene Zeitdauer in der angehobenen Stellung bei aktivierter Vibrationsvorrichtung (3) verharrt wird, so dass Bodenmaterial nachsacken und unter den Werkzeugkopf (2.1) gelangen kann.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungswerkzeug (2) mittels eines Antriebs einer Haltevorrichtung (5), an welcher das Verdichtungswerkzeug (2) vertikal beweglich angeordnet ist, derart abgesenkt wird, dass durch den Antrieb der Haltevorrichtung (5) während des Absenkens zumindest zeitweise eine Kraft in Absenkrichtung auf das Verdichtungswerkzeug (2) einwirkt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein fluides Medium in eine Säulenspur (SP) und/oder in einen an die Säulenspur (SP) angrenzenden Bodenbereich eingebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer Tiefgründung zumindest ein Gründungselement (10) in einen Baugrund gerammt wird, wobei ein vorgegebener Bereich des Baugrundes vor dem Einrammen und/oder nach dem Einrammen des Gründungselementes (10) durch den Einsatz des säulenförmigen Verdichtungswerkzeugs (2) an mehreren vorgegebenen Verdichtungspositionen des Baugrundes verdichtet und/oder verfestigt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungspositionen, an welchen das Verdichtungswerkzeug (2) eingesetzt wird, auf zumindest einem konzentrischen Kreis um das in den Baugrund eingerammte Gründungselement (10) herum oder um eine Einrammposition herum, an welcher das Gründungselement (10) eingerammt werden soll, angeordnet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des jeweiligen Bodenbereichs an unterschiedlichen Verdichtungspositionen bis in unterschiedliche Verdichtungstiefen durchgeführt wird.

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