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Eindringkörper zur Herstellung einer Dichtungsschürze im Untergrund
Gegenstand der Erfindung ist eine Verbesserung bzw. anderweitige Ausbildung der
Einrichtung zur Herstellung von Dichtungsschürzen im Untergrund nach Patent
1105 805. Die in dem Hauptpatent außer dem Verfahren geschützte Einrichtung
besteht aus einem lanagestreckten Eindringkörper mit stromlinienförmigem Querschnitt,
der an seiner Schneide mit einem durch Druckwasser gespeisten Spüldüsensystem und
an seinem gegenüberliegenden Rand mit einem Rohrsystem zur Verteilung von unter
Druck stehender thixotroper Flüssigkeit versehen ist sowie in seinem Innern eine
langgestreckte Rüttelvorrichtung enthält, die eine etwa der Länge des Eindringkörpers
entsprechende Welle mit mehreren Exzenterscheibenpaaren aufweist, von denen jeweils
die eine Exzenterscheibe fest auf der Welle aufgekeilt ist, während die andere Exzenterscheibe
mit Hilfe von Rollen- oder Walzenlagern lose auf der Welle sitzt und über ein Differential
von der Exzenterscheibe angetrieben wird. Infolge dieser Ausbildung kann der Eindringkörper
im wesentlichen zugleich unter der Wirkung von Rüttelkräften einstellbarer Frequenz
und gegebenenfalls einstellbarer Frequenz und gegebenenfalls einstellbarer Richtung
sowie von aus seiner Schneide austretenden Spülstrahlen und ferner eines aufsteigenden
Wasserstromes oder bei entsprechender Beschaffenheit des Untergrundes nur durch
die mit der Rüttelwirkung kombinierte Anwendung einer dieser Maßnahmen in den Untergrund
eingebracht werden, wobei er im Untergrund einen Schlitz erzeugt, der unmittelbar
bei seiner Entstehung z. B. mit thixotroper Flüssigkeit gefüllt wird, welche die
Schlitzwandungen am Zusammenfallen hindert. Ein auf diese Weise erzeugter und mit
thixotroper Flüssigkeit gefüllter Schlitz kann gegebenenfalls zusammen mit anderen
an ihn anschließenden Schlitzen dieser Art eine durch die thixotrope Flüssigkeit
an sich gebildete Dichtungsschürze oder Abdichtung im Untergrund bilden, er kann
aber auch bei gleichzeitiger Verdrängung der thixotropen Flüssigkeit z. B. mit Beton,
Stahlbeton od. dgl. gefüllt oder es kann gegebenenfalls die thixotrope Flüssigkeit
verfestigt werden, so daß bei entsprechender Schlitzgestaltung gegebenenfalls auch
tragende Wände im Untergrund errichtet werden können. Der Herstellung solcher Schlitze
und der Ausbildung der zu ihrer Herstellung dienenden Eindringkörper kommt daher
im gesamten Grundbau erhebliche Bedeutung zu.
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Nach dem Hauptpatent ist der Eindringkörper mit einer Rüttelvorrichtung
an sich bekannter Art versehen, die eine etwa der Länge des Eindringkörpers entsprechende
Welle mit mehreren Unwuchtmassenpaaren aufweist, mittels der aber nur Fliehkräfte
einer bestimmten einstellbaren Richtung erzeugt werden können. Da es hierbei vorkommen
kann, daß sich die Schneide des Eindringkörpers im Untergrund festfrißt, ist es
in den meisten Fällen notwendig, zugleich mit den Rüttelkräften die Wirkung von
Spülstrahlen anzuwenden. Die Erfindung bezweckt demgegenüber eine Ausbildung des
Eindringkörpers, bei der auch ohne Zuhilfenahme von Preßwasserspülung ein Festfressen
der Schneide vermieden und das Einrütteln des bohlenartigen Eindringkörpers in den
Untergrund erleichtert wird.
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Demgemäß besteht die Erfindung in erster Linie darin, daß die Rüttelvorrichtung
mehrere in Vortreibrichtung parallel hintereinander angeordnete, synchron angetriebene
Unwuchtwellen aufweist, von denen die jeweils benachbarten. Unwuchtwellen gegensinnig
in der Weise umlaufen, daß die Fliehkraftrichtungen mindestens zweier Unwuchten
während jeder Umdrehung zweimal übereinstimmen.
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Es ist zwar ein in lotrechter Richtung wirksames Eindringgerät bekannt,
bei dem mehrere Unwuchten übereinander derart angeordnet sind, daß sie sich gemeinsam
nach oben und gemeinsam nach unten bewegen.
Bei dem bekannten Gerät
handelt es sich aber um ein Bohrgerät, das unter gleichzeitigem Rütteln und Drehen
um seine lotrechte Längsachse abgesenkt wird und bei dem die Unwuchtwellen nur eine
etwa dem Durchmesser des Bohrgerätes entsprechende Länge haben. Demgegenüber handelt
es sich bei dem Eindringkörper nach der Erfindung um einen quer zur Eindringrichtung
langgestreckten Körper mit entsprechend langgestreckten Unwuchtwellen, der nicht
unter gleichzeitiger Drehbewegung in den Untergrund eingebracht werden kann und
der sich daher im Gegensatz zu einem Bohrrohr od. dgl. im Untergrund leicht festfressen
kann.
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Bei einem auf diese Weise ausgebildeten Eindringkörper können gemäß
der Erfindung in einfacher Weise je nach der Anzahl und Anordnung der Unwuchtwellen
untereinander quer zur Längsmittelebene des Eindringkörpers wirkende Drehmomente
oder Kräfte erzeugt werden, welche während des Einrüttelns des Eindringkörpers bei
jeder Umdrehung der Unwuchtwellen periodisch zur Wirkung kommen und das Festfressen
der Schneide des Eindringkörpers im Boden verhindern, indem sie quergerichtete Rüttelbewegungen
hervorrufen. Die Ausbildung kann dabei derart sein, daß die Rüttelvorrichtung eine
gerade Zahl von Unwuchtwellen aufweist und die Unwuchtmassen außer den in Vortreibrichtung
wirkenden Rüttelbewegungen quer hierzu wirkende Drehmomente um eine zwischen jedem
Unwuchtwellenpaar liegende Längsachse erzeugen. Die Ausbildung kann aber auch so
getroffen sein, daß die Rüttelvorrichtung eine ungerade Zahl von Unwuchtwellen aufweist
und die Unwuchtmassen aufeinanderfolgender Unwuchtwellen gleich-und entgegengerichtete,
quer zur Vortreibrichtung gerichtete Fliehkräfte erzeugen, deren Summenkraft jeweils
nur einen Bruchteil, z. B. ein Drittel, der in Vortreibrichtung wirkenden Summenfliehkraft
der Unwuchtmassen der drei Unwuchtwellen beträgt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Eindringkörpers, bei der
die Unwuchtwellen paarweise untereinanderliegen .und auf jeder Unwuchtwelle zwei
oder mehr an sich bekannte langgestreckte Unwuchtmassen axial hintereinander angeordnet
sind, können diese bei in Arbeitslage im Schlitz befindlichem Eindringkörper aus
ihrer die gleichgerichteten Vortreibkräfte ergebenden gegenseitigen Grundstellung
in eine Stellung umstellbar sein, bei der die in der Ebene der Vortreibrichtung
liegenden Fliehkräfte von je zwei untereinanderliegenden Unwuchtmassen einander
entgegengerichtet und die quergerichteten Fliehkräfte aller Unwuchtmassen zur Erzeugung
einer quer zur Längsmittelebene des Eindringkörpers gerichteten Summenkraft gleichgerichtet
oder die quergerichteten Fliehkräfte von je zwei axial hintereinander angeordneten
Unwuchtmassen zur Erzeugung eines Drehmomentes um eine zur Vortreibrichtung parallele
Achse des Eindringkörpers, vorzugsweise um die Mittelachse, entgegengerichtet sind.
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Bei dieser Ausbildung ist es durch einfache Umstellung der Unwuchtmassen
möglich, den Eindrinb körper unter Aufhebung der in Vortreibrichtung liegenden Rüttelbewegungen
der Wirkung weiterer quergerichteter Kräfte oder Momente auszusetzen und ihn auf
diese Weise, auch wenn er sich trotz der während der in Vortreibrichtung liegenden
Rüttelbewegungen erzeugten, in Querrichtung wirkenden Kräfte und Momente im Boden
festgefressen haben sollte, wieder freizurütteln. Die gegenseitige Verstellung der
Unwuchtmassen zweier untereinanderliegender Wellen kann durch beliebige Mittel ermöglicht
werden. Beispielsweise kann eine zwischen je zwei untereinanderhegenden Unwuchtwellen
angeordnete Verzahnung ähnlich wie bei dem Getriebe eines Kraftfahrzeuges ausgerückt,
dann die gegenseitige Verstellung der Unwuchtmassen durch entsprechende Drehung
der einen Unwuchtwelle um 180° gegen die andere Unwuchtwelle durchgeführt und schließlich
die Verzahnung wieder eingerückt werden. Wenn statt einer quergerichteten Summenkraft
ein Drehmoment um eine parallel zur Vortreibrichtung liegende Achse des Eindringkörpers
z. B. bei zwei auf jeder Unwuchtwelle axial hintereinander angeordneten Unwuchtmassen
ein Drehmoment um die Mittelachse des Eindringkörpers erzeugt werden soll, so kann
jede Unwuchtwelle aus zwei koaxialen Teilen bestehen, die mit den auf ihnen fest
angebrachten Unwuchtmassen um 180° gegeneinander verdrehbar sind.
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Die Anordnung der Unwuchtwellen untereinander bietet noch den weiteren
Vorteil, daß der Eindringkörper verhältnismäßig schmal gestaltet werden kann. Dies
ist von erheblicher Bedeutung, weil einerseits bei Anwendung von thixotroper Flüssigkeit
zur Bildung einer abdichtenden Schürze im Untergrund im allgemeinen keine breiten
Schlitze erforderlich sind und andererseits der dem Eindringen des Rüttelkörpers
in den Boden entgegenwirkende Erdwiderstand mit wachsender Schlitzbreite stark ansteigt.
Trotz relativ kleiner Breite kann aber infolge der Anordnung mehrerer Unwuchtwellen
untereinander eine große Fliehkraftwirkung erreicht werden, was noch dadurch unterstützt
wird, daß die Unwuchtmassen als langgestreckte Massenkörper ausgebildet werden können,
die das Rüttelgehäuse der Länge nach nahezu ganz ausfüllen. Dies trägt wiederum
dazu bei, daß ein Höchstmaß an Rüttelwirkung ermöglicht wird, da das Verhältnis
in.' r : m gleich oder größer als 1 cm gehalten werden kann. Dabei ist faao
die Masse der umlaufenden Unwuchtmassen, r der Abstand der Drehachse der Unwuchtwelle
vom Schwerpunkt der Unwuchtmasse und m die Gesamtmasse des Eindringkörpers. Eingehende
Studien haben ergeben, daß im allgemeinen gute Rüttelwirkungen nur dann erreicht
werden, wenn das angegebene Verhältnis eingehalten wird.
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Die schmale Ausgestaltung des Eindringkörpers wird ferner dadurch
begünstigt, daß für den Antrieb der Unwuchtwellen, wie an sich bekannt, Druckflüssigkeitsmotoren,
z. B. Druckölmotoren, dienen, da solche Motoren bei genügender Leistung außerordentlich
kleine Abmessungen aufweisen. Vorzugsweise ist für den Antrieb jeder Welle an jedem
Ende derselben ein solcher Motor angeordnet.
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Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung im einzelnen beschrieben.
Es zeigt in schematischer Darstellung F i g. 1 einen Querschnitt durch den Eindringkörper
nach der Linie C-D in der F i g. 2, F i g. 2 einen Längsschnitt durch den Eindringkörper,
F i g. 3 einen Querschnitt durch den Eindringkörper nach der Linie A-B in der F
i g. 2, F i g. 4 einen Querschnitt durch den Eindringkörper nach der Linie E-F in
der F i g. 2,
F i g. 5 die Stellungen der Unwuchtmassen mit Andeutung
der erzeugten Kräfte bzw. Momente bei verschiedenen Drehwinkeln der in ihre Grundstellung
zum Einrütteln des Eindringkörpers eingestellten Unwuchtmassen der Ausführungsform
nach F i g. 1 bis 4., F i g. 6 eine der F i g. 5 entsprechende Darstellung nach
Umstellung der Unwuchtmassen aus der Grundstellung nach F i g. 5 in eine Stellung,
bei der abwechselnd entgegengesetzte quergerichtete Summenkräfte erzeugt werden,
F i g. 7 eine der F i g. 5 entsprechende Darstellung nach Umstellung der Unwuchtmassen
aus der Grundstellung nach F i g. 5 oder aus der Stellung nach F i g. 6 in eine
Stellung, bei der abwechselnd entgegengesetzt drehende Momente um die in Vortreibrichtung
liegende Mittelachse des Eindringkörpers erzeugt werden und F i g. 8 den Fliehkraftverlauf
bei einer Ausführungsform der Rüttelvorrichtung, bei der drei Unwuchtwellen mit
je einer Unwuchtmasse untereinander angeordnet sind.
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Nach F i g. 1 ist der Eindringkörper im größeren oberen Teil im Querschnitt
etwa rechteckig und im unteren Teil unter Bildung einer Schneide 5 etwa dreieckig
ausgebildet. Das Gehäuse 4 des Eindringkörpers ist, wie aus F i g. 2 ersichtlich
ist, etwa doppelt so lang wie hoch ausgebildet, wobei die Länge etwa 1,50 m betragen
kann. Die Breite des Eindringkörpers ist dagegen verhältnismäßig gering. In dem
Gehäuse 4 sind in Lagerteilen 10 von Zwischenwänden 11 zwei Unwuchtwellen 1 in Vortreibrichtung
parallel hintereinander drehbar gelagert, auf denen Unwuchtmassen 2 fest angebracht
sind. Die Unwuchtwellen 1 sind an ihren beiden Enden mit Zahnkränzen 12 versehen,
die ineinandergreifen und in nicht dargestellter Weise von außen, d. h. bei in Arbeitslage
in einem Schlitz befindlichen Eindringkörper von über Tag her gegeneinander verdrehbar
sind, so daß die fest mit ihnen verbundenen Unwuchtwellen 1 und die wiederum
fest auf diesen sitzenden Unwuchtmassen 2 in ihrer Drehwinkellage gegeneinander
einstellbar sind. Jede Unwuchtwelle 1 ist an beiden Enden mit einem Antriebsmotor
verbunden, der als Druckflüssigkeitsmotor 3, z. B. als Öldruckmotor, ausgebildet
ist. Insgesamt sind also bei der Ausführungsform nach F i g. 1 bis 4 vier Motoren
angeordnet, die durch die Druckleitungen 13, 14 mit Drucköl gespeist werden. Die
Druckleitungen 13, 14 können an gemeinsame Zuführungsrohre 15, 16 angeschlossen
sein, denen das Drucköl über nicht dargestellte biegsame Leitungen von über Tage
her zugeleitet wird.
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Jede Unwuchtwelle 1 kann aber auch aus zwei koaxialen Wellenteilen
mit je einer Unwuchtmasse bestehen.
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Wie aus den F i g. 2 und 4 ersichtlich ist, ist in das Gehäuse 4 des
Eindringkörpers noch eine Rohrleitung 17 eingeführt, die einem in dem Schneidenteil
angeordneten Verteilungsrohr 18 Druckwasser zuführt, das durch sich deckende öffnungen
des Verteilungsrohres 18 und der dieses berührenden Gehäuseteile austritt und das
Eindringen des Eindringkörpers in den Boden unterstützt. In dem Schneidenteil des
Gehäuses 4 ist eine Gewichtsmasse 6 angeordnet, die in ihrer Höhenlage von außen
verstellbar sein kann und bei lotrechter Schlitzherstellung die Lotrechtführung
des Eindringkörpers erleichtert. Die Unwuchtmassen 2 sind, wie aus F i g. 2 ersichtlich
ist, als langgestreckte Massenkörper ausgebildet, die den Raum zwischen den Zwischenwänden
11 der Länge nach nahezu ganz ausfüllen. Die Anordnung der Unwuchtmassen 2 entspricht
der in F i g. 5 in vier Drehwinkellagen dargestellten Grundstellung. Die Drehrichtungen
zweier benachbarter Unwuchtwellen 1 sind einander entgegengesetzt, dies entspricht
den bei der Drehwinkellage w - t=0 eingezeichneten Richtungspfeilen. Aus F i g.
5 ist ersichtlich, daß die Fliehkräfte, die in den Drehwinkellagen o . t=0
und o . t=ue erzeugt werden, gleichgerichtet sind und Rüttelkräfte in der Vortreibrichtung
und in entgegengesetzter Richtung erzeugen, die parallel zu der Mittelachse z des
Eindrinskörpers verlaufen. Die auf jeder Seite der Mittelachse z untereinander angeordneten
Unwuchtwellen 1 erzeugen daher, wenn ihre Unwuchtmassen 2 wie bei der dargestellten
Ausführungsform vorzugsweise gleich groß sind, bei der Drehwinkellage co.
t=0 jeweils eine nach unten gerichtete Summenfliehkraft +V und bei der Drehwinkellage
co - t=n jeweils eine nach oben gerichtete Summenfliehkraft -V. In den dazwischenliegenden
Drehwinkellagen
und
sind dagegen die durch Pfeile angedeuteten quergerichteten Fliehkräfte zweier untereinander
angeordneter Unwuchtmassen 2 entgegengesetzt gerichtet und erzeugen daher bei
ein entgegen dem Uhrzeigersinn drehendes Moment 4-Mx und bei
ein im Uhrzeigersinn drehendes Moment -M" um die aus F i g. 2 ersichtliche, zwischen
den beiden untereinanderliegenden Unwuchtwellen 1 liegende Längsachse x. Diese bei
jeder Umdrehung der Unwuchtwellen auftretenden Momente sind quer zur Längsmittelebene
des Eindringkörpers gerichtet und verursachen demgemäß beim Einrütteln desselben
kleine periodische Seitenauschläge des Eindringkörpers um die Achse x, die im allgemeinen
genügen, um das Festfressen des durch die lotrechten Rüttelbewegungen vorgetriebenen
schmalen Eindringkörpers im Boden zu verhindern.
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Sollte es dennoch vorkommen, daß sich der Eindringkörper, nachdem
er z. B. einige Meter in den Boden eingedrungen ist, im Boden festfrißt, so können
bei der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform die Zahnkränze 12 der Unwuchtwellen
1 und damit die Unwuchtmassen 2 durch nicht dargestellte Mittel von oben her aus
ihrer der Grundstellung nach F i g. 5 entsprechenden Drehwinkellage in die in F
i g. 6 oben dargestellte Drehwinkellage verstellt werden,- bei der im Vergleich
zu der oberen Darstellung in F i g. 5 die beiden oberen Unwuchtwellen 1 mit ihren
Unwuchtmassen 2 um 180° in Richtung der eingezeichneten Pfeile gegenüber der unteren
Unwuchtwellen 1 gedreht sind. Läuft die Rüttelvorrichtung des Eindringkörpers bei
dieser gegenseitigen Einstellung der Unwuchtwellen 1 weiter, so sind bei den Drehwinkeln
o t=0 und o t =n die lotrechten Fliehkräfte entgegengerichtet und
heben sich auf. Das Einrüffeln des Eindringkörpers wird daher unterbrochen. Dagegen
sind die quergerichteten Fliehkräfte aller vier Unwuchtmassen bei den Drehwinkeln
und gleichgerichtet, so daß abwechselnd periodische Kräfte -I-H und
-H
erzeugt werden, die parallel zu der aus F i g. 1 ersichtlichen y-Achse, also quer
zur Längsmittelebene des Eindringkörpers verlaufen und diesen mit großen Ausschlägen
freirütteln.
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Aus dieser gegenseitigen Stellung oder aus der Grundstellung nach
F i g. 5 heraus können die Unwuchtwellen 1 mit ihren Unwuchtmassen 2 aber auch in
die in F i g. 7 oben dargestellte Stellung eingestellt werden, bei der die beiden
auf der einen (linken) Seite der senkrechten Mittelachse z des Eindringkörpers untereinander
angeordneten Unwuchtwellen die Stellung nach F i g. 5 oben und die beiden auf der
anderen (rechten) Seite der Mittelachse z liegenden Unwuchtwellen jeweils um 180°
gegenüber der Stellung der Unwuchtmassen auf der linken Seite der Mittelachse z
gedreht sind. Beim Betrieb der Rüttelvorrichtung mit dieser gegenseitigen Einstellung
der Unwuchtwellen und Unwuchtmassen sind die bei den Drehwinkeln rw t=0 und
co t=-i auftretenden lotrechten Fliehkräfte einander entgegengerichtet, heben sich
also gegenseitig auf, so daß die Rüttelbewegungen in Vortreibrichtung ebenfalls
aufhören. An Stelle der quergerichteten Kräfte -1-H und -H nach F i g. 5
werden jedoch bei dieser Einstellung bei den Drehwinkeln
und
abwechselnd entgegengesetzt drehende Momente +M, und -M, erzeugt, die Drehausschläge
des Eindringkörpers und dessen Mittelachse z verursachen.
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Sollte sich demgemäß der Eindringkörper bei sei, neu Vorarbeiten im
Boden trotz der während des Einrüttelns erzeugten quergerichteten Momente +M" und
---Mx doch festgefressen haben, so kann er unter Aufhebung der vorwärts bewegenden
Rüttelkräfte durch stärkere seitliche Ausschläge +-Y oder die Momente +MZ,
-M, freigerüttelt werden. Ist das erreicht, so braucht die Rüttelvorrichtung nur
auf die Grundstellung nach F i g. 5 zurückgeschaltet zu werden, um im Boden weiter
vorwärts getrieben zu werden. Die zum Umstellen der Unwuchtwellen und Unwuchtmassen
erforderlichen Mittel können beliebiger Art sein. Sie sind hier nicht näher beschrieben,
weil sie nicht zum Gegenstand der Erfindung gehören.
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Gegebenenfalls kann die Rüttelvorrichtung des Eindringkörpers auch
so ausgebildet sein, daß die Unwuchtmassen 2 nur die in F i g. 5 dargestellte Grundstellung
einnehmen können.
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Es sind aber auch Ausführungsformen des Eindringkörpers möglich, bei
denen bei nur einer gegenseitigen Grundstellung der Unwuchtwellen und Unwuchtmassen
während des Einrüttelns statt der Momente +M, und -M. quergerichtete Seitenkräfte
erzeugt werden, die dem Eindringkörper bei seiner Vorwärtsbewegung im Boden den
erforderlichen seitlichen Spielraum verschaffen und dem Festfressen entgegenwirken.
Eine derartige Ausführungsform ist durch die Darstellung des Fliehkraftverlaufs
nach F i g. 8 schematisch angedeutet. Bei einer solchen Ausführungsform sind die
Unwuchtwellen 1 mit ihren Unwuchtmassen 2 in ungerader Anzahl, z. B., wie in Fig.
8 gezeigt, zu dreien untereinander angeordnet, wobei gegebenenfalls jede Unwuchtwelle
mit nur einer in axialer Richtung durchgehenden Unwuchtmasse 2 versehen, sein kann,
die das Gehäuse 4 des Eindringkörpers der Länge nach nahezu ganz ausfüllt. Die schematische
Darstellung nach F i g. 8 gilt für eine solche Ausführungsform. Aus dieser ist ersichtlich,
daß bei den Drehwinkeln co t=0 und co t=n der in der Ebene der Vortreibrichtung
liegenden Fliehkräfte aller drei Unwuchtmassen 2 gleichgerichtet sind und demgemäß
wie bei der Ausführungsform nach F i g. 5 abwechselnd Summenkräfte + V und - Tl
ergeben. Bei den Drehwinkeln
ergeben sich dagegen quergerichtete Kräfte -1-H und -H, von denen diejenigen der
ersten und dritten Unwuchtwelle immer gleichgerichtet sind, während die Kraft H
der zweiten Unwuchtwelle entgegengerichtet ist. Da die quergerichteten Kräfte -1-H
und -H gleichzeitig erzeugt werden, ergibt sich eine quergerichtete Summenkraft
H.Qx, die gleich ein Drittel der in Vortreibrichtung wirksamen Summenfliehkraft
ist. Statt drei Unwuchtwellen könnten bei einer solchen Ausführungsform z. B. auch
fünf Unwuehtwellen untereinander angeordnet sein.