DE19628769A1 - Einrichtung und Verfahren zur Tiefenverdichtung von bindigem und nichtbindigem Verdichtungsgut (z. B. Lockergestein) und/oder zur Bestimmung des Verdichtungszustandes des Verdichtungsgutes und seines räumlichen und zeitlichen Verhaltens - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf alle Anwendungen von Rütteldruckverdichtungen (RDV) und Rüttelstopfverdichtungen (RSV), siehe auch Bild 6, auf bindiges und nicht­ bindiges Verdichtungsgut (z. B. bei lockergelagerten und gewachsenen Böden, auf Kippen, im Grund von Gewässern, im Verkehrswegebau, auf Böschungen und Dämmen, auf Deponien, im Baugrund, etc.). Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich vorrangig auf die RDV. Sie gelten aber analog auch für RSV. Durch die Erfassung von internen physikalischen Größen, die die Erzeugung der mechanischen Energie des Rüttlers bestimmen, und/oder von externen physikalischen Größen, die den Verdichtungsgrad des zu verdichtenden bzw. verdichteten bindigen bzw. nichtbindigen Verdichtungsgutes bestimmen und deren wechselseitige Abhängigkeit kann einerseits die Arbeitsweise des Rüttlers optimiert und/oder andererseits der Verdichtungsgrad des Verdichtungsgutes und dessen räumlicher und zeitlicher Verdichtungszustand erfaßt und/oder dokumentiert und/oder dargestellt werden. Unabhängig vom Antrieb des Rüttlers wird eine über die Frequenz geregelte Arbeitsweise des Tiefenrüttlers möglich.

Durch die Optimierung der Arbeitsweise des Rüttlers wird dessen Verschleiß gesenkt und der erforderliche Energieeinsatz für den Rüttelvorgang wird auf den angestrebten Verdichtungsgrad des zu verdichtenden bindigen bzw. nichtbindigen Verdichtungs­ gutes abgestimmt. Der Rüttelvorgang wird durch einen erzwungenen Kontinuumsschwinger (Rüttler ⇒ Erreger, Verdichtungsgut ⇒ Resonator) hinreichend beschrieben. Das Verdichtungsgut wird als Kontinuum und damit als Ausbreitungs­ medium mechanischer Wellen definiert.

Die Erfindung trägt zur Automatisierung des Rüttelprozesses weitgehend bei. Durch die Erfassung geeigneter Prozeßdaten kann die für die angestrebte Verdichtung notwendige Zufuhr von Fluiden (z. B. Luft, Wasser) und Material (z. B. rolliges Material) gezielt dosiert werden.

Die Erfindung ermöglicht die Erreichung übertiefer Verdichtungsteufen sowie eine hohe und gezielte Verdichtungsleistung in allen verdichtungswilligen Verdichtungs­ gütern.

Die Medienführung (Zuführung von Fluiden (z. B. Luft, Wasser) auf die Rüttelsohle und in den Ringraum des Rüttelloches) erfolgt im Rüttler. Die Fluide gelangen über Düsen auf die Rüttelsohle und/oder in den Ringraum. Die Düsen können symmetrisch oder asymmetrisch zur Rüttlerachse angeordnet sein. Der Volumenstrom der Fluide kühlt auf seinem Weg zur Rüttlersohle oder in den Ringraum gleichzeitig den Rüttlerantrieb.

Die Dosierung der Fluide, die Zusammenführung von gasförmigen und flüssigen Medien zu einem Volumenstrom ist möglich und erfolgt in Abhängigkeit der Art des Verdichtungsgutes und/oder der notwendigen Kühlung des Rüttlerantriebes.

Stand der Technik

Mit der RDV und der RSV wird eine Tiefenverdichtung des Verdichtungsgutes erreicht. Sowohl bei der RDV als auch bei der RSV wird die mechanische Energie über den Rüttler auf das Verdichtungsgut übertragen. Der Rüttler hängt dabei an der Rüttleraufhängung (z. B. einem Seilbagger). Siehe auch Bilder 7 und 8.

Periphere Ausrüstungen sind u. a.:

• - Generator, Elektromotor, Hydraulikmotor, etc. → als Rüttlerantrieb
• - Kompressor, Pumpe → zur Bereitstellung der notwendigen Medien (Luft, Wasser)
• - Diverse Schlauchführungen
• - Drehkopf → zur drehfreien Führung der Medien im Rüttler
• - Prozeßsteuerung, -überwachung und -auswertung
• - Lader, Planierraupe

Die RDV und die RSV werden bei bindigen und nichtbindigen, bei wassergesättigten und nichtwassergesättigten Verdichtungsgütern angewandt. Siehe auch Bild 6. Dabei wird der Rüttler in das Verdichtungsgut mit einer vom Hersteller vorgebenen Frequenz und einer möglichst hohen Versenkgeschwindigkeit bis zur erforderlichen Tiefe eingefahren. Die maximale Tiefe wird durch die Leistungsparameter des Rüttlers, des Seilbaggers, der peripheren Ausrüstungen und im besonderen Maße durch die Prozeßsteuerung bestimmt.

Das durchfahrene Verdichtungsgut wird dabei verdrängt bzw. aus dem Rüttelloch ausgetragen. Danach wird der Rüttler im Rüttelloch stufenweise aufgefahren. Der Rüttler verweilt in der Tiefe (Ziehhöhe) und beginnt den Rüttelvorgang mit einer festen Rüttelfrequenz. Der Rüttelvorgang wird abgebrochen, wenn entweder eine bestimmte Rütteldauer (Verweildauer) verstrichen und/oder eine bestimmte Rüttellast erreicht wurde. Sowohl die Festlegung der jeweiligen Tiefe (Ziehhöhe), in der ein Rüttelvorgang eingeleitet wird, wie auch die Rütteldauer (Verweildauer) und/oder der Rüttellast werden z.Z. aus Erfahrungen abgeleitet.

Während des Rüttelvorganges in der jeweiligen Ziehhöhe wird dem Verdichtungsgut diskontinuierlich über das Rüttelloch (RDV) und/oder kontinuierlich über den Rüttler (RSV) Material zugesetzt. Siehe Bilder 7 und 8.

Die Notwendigkeit, Material zuzugeben, ergibt sich einerseits daraus, das Rüttelloch wieder zu verfüllen und/oder eine Stopfsäule herzustellen, andererseits, um dem Rüttler stets einen Widerstand entgegenzusetzen und eine günstigere Kornverteilung des Verdichtungsgutes zu erreichen.

Durch die Vibration des Tiefenrüttlers wird in das Verdichtungsgut mechanische Energie eingebracht, die zur Umlagerung des Korngerüstes und somit zur Verringerung des Porenvolumens führt. Durch diesen Vorgang werden eine dichtere Lagerung und eine Erhöhung der Scherfestigkeitsparameter des Verdichtungsgutes bewirkt.

Während des Rüttelvorganges können je nach Art des Verdichtungsgutes flüssige oder gasförmige Medien auf die Rüttelsohle oder in den Ringraum geleitet werden.

Prinzipieller Rüttleraufbau für RDV und RSV, siehe Bild 1.

Der Rüttelvorgang an einem Rüttelpunkt ist beendet, wenn der Rüttler über verschiedene Ziehstufen die Geländeoberfläche erreicht hat.

Über das zu verdichtende Verdichtungsgut wird ein Raster mit "n" Rüttelpunkten gelegt. Der vorstehend beschriebene Rüttelvorgang an einem Rüttelpunkt wird "p"-mal wiederholt.

Ist das Verdichtungsraster abgearbeitet, wird der Verdichtungserfolg durch ausgewählte, punktweise Kontrollen nachgewiesen und dokumentiert, um daraus u. a. die Belastungsmöglichkeiten und die Stabilität des verdichteten Verdichtungsgutes zu ermitteln.

Der Verdichtungsnachweis erfolgt mit mechanischen Nachweismitteln (Drucksonden). Nach Beendigung des Verdichtungsvorganges finden Anpassungssetzungen (Nachsetzungen) im Verdichtungsgut statt, die häufig auch als zeitabhängiges Verhalten des Kontinuums gedeutet werden. Nach angemessener Zeit werden die oben beschriebenen Verdichtungsnachweise wiederholt. Die zeitliche und räumliche Verteilung der Ansatzpunkte für den neuerlichen Verdichtungsnachweis werden z. Z. aus Erfahrungen bestimmt.

Literatur

[1] Grundbau-Taschenbuch, Hrsg. Smoltczyk, U., Verlag für Architektur und techn. Wiss. Ernst & Sohn, Teil 2, 4. Aufl., Berlin, 1991
[2] Tiefenverdichtung, Hrsg. Informationszentrum Raum und Bau der Frauenhofer- Gesellschaft-IRB, IRB-Verlag, Stuttgart, 1992
[3] Merkblatt für Untergrundverbesserung durch Tiefenrüttler, Kühn, H. und Goerner, E.-W., Forschungsgesellschaft für das Straßenwesen e.V. Köln, PB Verlag, Berlin, 1984
[4] Deutsche Demokratische Republik Amt für Erfindungs- und Patentwesen, Patentschrift 0152380, Wirtschaftspatent, WP E 02D/223111
[5] Europäisches Patentamt, Europäische Patentanmeldung, Anmeldungsnummer: 81103212.7, Anmeldungstag: 29.04.1981, EP 0039474 A1
[6] European Patent Office, European Patent Application, Application Number: 88310473.9, Date Of Filing: 06.11.88, EP 0318172 A2

Technische Aufgabenstellung

Die Technische Aufgabenstellung besteht nunmehr darin, den Rüttelprozeß, die Medienführung und die Medienaustritte, die Rüttleraufhängung (z. B. Seilbagger), die interne und externe Datenaufnahme, -verarbeitung und -weiterleitung so zu gestalten, daß

• - der Rüttelprozeß optimiert, die Verdichtungswilligkeit des Verdichtungsgutes verbessert, der Verdichtungserfolg erhöht und während des Rüttelprozesses nachgewiesen werden kann
• - die Medienführung und Medienaustritte auf den Rüttelprozeß abgestimmt werden können, dies sowohl in Bezug auf den Rüttler wie auch in Bezug auf das Verdichtungsgut;
• - der Rüttelprozeß so gestaltet wird, daß übertiefe Verdichtungsteufen erreicht, der Verschleiß gesenkt und die Lebensdauer des Rüttlers erhöht werden.

Lösung der Aufgabenstellung und Beispiele 1. Frequenzgeregelte Arbeitsweise des Tiefenrüttlers

Der Verdichtungserfolg hängt im wesentlichen von der auf das Verdichtungsgut übertragenen mechanischen Energie, der Art und Weise der Übertragung der mechanischen Energie auf das Verdichtungsgut sowie von der Verdichtungswilligkeit des Verdichtungsgutes ab.

Durch die Vibration des Rüttlers wird in das Verdichtungsgut mechanische Energie eingebracht, die im allgemeinen zur Umlagerung des Korngefüges und somit zur Verringerung des Porenvolumens führt. Der notwendige Betrag von mechanischer Energie und die Art und Weise der Übertragung sind im hohem Maße von der Art des Verdichtungsgutes (von dessen physikalischem und chemischem Zustand) abhängig. Gleichfalls wird der notwendige Betrag mechanischer Energie auch bestimmt vom angestrebten Verdichtungsgrad des herzustellenden Verdichtungskörpers (Verdichtungsfeldes).

Die Verdichtungswilligkeit, d. h. der physikalische und chemische Zustand des Verdichtungsgutes, wird allgemein durch einige zunächst von einander unabhängige physikalische Größen beschrieben, z. B.

• - Korngröße;
• - Kornform;
• - Kornverteilung;
• - Porenvolumen;
• - Wassergehalt;
• - Lagerungsdichte, etc.

Somit ist eine exakte Voraussage der Verdichtungswilligkeit des Verdichtungsgutes in Abhängigkeit der Tiefe, Schichtenfolge, der mechanischen und chemischen Geschichte, etc. z. Z. sehr problematisch.

Die Aufgabenstellung wird nunmehr dadurch gelöst, daß in der Umgebung des Rüttlers an der Oberfläche des Verdichtungsgutes Schwingungsaufnehmer (z. B. 3 Geophone jeweils 120° gegeneinander versetzt) angeordnet werden.

Die Einbringung der mechanischen Energie in das Verdichtungsgut erfolgt mit einer bestimmten Rüttelfrequenz.

Der Betrag der eingebrachten mechanischen Energie wird bei einem elektrischen Rüttlerantrieb durch die zugeführte elektrische Stromstärke bestimmt. Bei dieser Antriebsart des Rüttlers stehen Rüttelfrequenz und elektrische Stromstärke in Abhängigkeit zueinander.

Rüttler und Verdichtungsgut bilden ein schwingungsfähiges System (Rüttler ⇒ Erreger; Verdichtungsgut ⇒ Resonator). Das Verdichtungsgut wird nachfolgend als Kontinuum definiert, so daß sich die durch den Rüttler übertragene mechanische Energie in Form von mechanischen Wellen im Verdichtungsgut ausbreitet. Die mechanischen Wellen werden durch die Geophone empfangen; durch eine Registrier- und Auswerteeinheit werden sie aufgezeichnet und ausgewertet. Sie ist Bestandteil des dargestellten Steuer- und Schaltpultes für den Rüttelprozeß. Unter Zuhilfenahme des registrierten und ausgewerteten Frequenzganges kann nunmehr über einen eingebauten Frequenzumrichter die Rüttelfrequenz (Erregerfrequenz) so verändert werden, daß diese mit einer Eigenfrequenz des Kontinuums in Übereinstimmung gebracht wird (Resonanzfall). Durch Zuführung von Medien (Wasser, Luft) und/oder rolligem Material auf die Rüttelsohle wird die Eigenfrequenz des Verdichtungsgutes verändert. Durch Nachführung der Frequenz des Rüttlers auf die jeweilige Eigenfrequenz des Verdichtungsgutes kann das schwingungsfähige System (Rüttler ⇐⇒ Verdichtungsgut) ständig in Resonanz gehalten werden. Die Ausbreitung der mechanischen Wellen im Verdichtungsgut ist gedämpft. Damit fallen der Peakpoint der Amplitude des Resonators und die Resonanzstelle nicht zusammen. Aus praktischen Gründen wird hier auf die Resonanzstelle orientiert, da die Verschiebung des Peakpoint aus der Resonanzstelle nur unwesentlich ist. Das gewünschte Ergebnis des Rüttelprozesses ändert sich dadurch nicht.

Die Regelung der Medienführung und des Medienaustrittes, der Zuführung von z. B. rolligem Material und des Verdichtungsgrades sind über das elektronische Steuerungssystem des Rüttelprozesses nunmehr gleichfalls möglich. Durch die Einbindung des Frequenzumrichters, der Geophone und der Registrier- und Auswerteeinheit für die empfangenen seismischen Wellen in die Prozeßsteuerung ergibt sich eine frequenzgeregelte Arbeitsweise des Tiefenrüttlers. Vor allem durch die frequenzgeregelte Arbeitsweise des Rüttlers lassen sich hohe Verdichtungs­ leistungen und übertiefe Verdichtungsteufen erreichen.

Das Einfahren des Rüttlers in das Verdichtungsgut geschieht mit einer Frequenz, die sich deutlich von den Eigenfrequenzen des Verdichtungsgutes unterscheidet. Im allgemeinen wird der Rüttler mit einer Frequenz oberhalb einer Eigenfrequenz des Verdichtungsgutes (überkritisch) eingefahren. Da sich die Eigenfrequenz mit den durchfahrenen Schichten ändern kann, kann nunmehr die Rüttelfrequenz auch im Einfahrvorgang stets so eingestellt werden, daß sie sich in genügend großer Entfernung zur jeweiligen Resonanzstelle des Verdichtungsgutes befindet. Schematische Darstellung siehe Bild 2. Für den Einfahrprozeß kann unter Umständen eine unterkritische Arbeitsweise (Frequenz des Rüttlers ist kleiner als die jeweilige Eigenfrequenz des Verdichtungsgutes) von Vorteil sein. Diese ist mit der unter Punkt 1 beschiebenen frequenzgeregelten Arbeitsweise hinreichend beschrieben.

Die frequenzgeregelte Arbeitsweise ist unabhängig von der jeweiligen Antriebsart des Rüttlers möglich. Dies wird mit den unter Punkt 1 gemachten Ausführungen ebenfalls hinreichend erklärt.

2. Ermittlung des Verdichtungserfolges während des Rüttelprozesses

Der Verdichtungserfolg wird z.Z. durch punktweise Kontrollen nach dem Verdichtungsvorgang und Abarbeitung des Verdichtungsrasters üblicherweise mit Drucksonden nachgewiesen. Der Ansatzpunkt des Verdichtungsnachweises und der Verdichtungspunkt stimmen im allgemeinen nicht überein. Nunmehr werden in den Rüttler Sensoren eingebaut, siehe Bild 3. Mit Hilfe der Sensoren wird der Verdichtungserfolg während des Rüttelprozesses sowohl in radialer wie auch in vertikaler Richtung erfaßt.

Die Daten Spitzendruck, Mantelreibung, Porenwasserdruck und andere werden nach übertage übertragen und den Koordinaten des Rüttelpunktes und der Rütteltiefe zugeordnet.

Durch die nunmehr vorhandenen Vergleichsmöglichkeiten von Verdichtungs­ messungen im Rüttelpunkt in vertikaler und/oder in radialer Richtung kann man während des Rüttelvorganges das Verhalten des Verdichtungsgrades in radialer Richtung in Abhängigkeit des Abstandes von der Rüttelachse bestimmen und dokumentieren.

Die Erfassung der geometrischen Daten des Rüttelprozesses durch einen eingebauten Sender kann ebenfalls automatisch erfolgen. Siehe Bild 3 Im elektronischen Steuersystem des Rüttlers werden die mittels Sensoren gemessenen physikalischen Größen mit denen der seismischen Messungen während des Rüttelprozesses (z. B. Verdichtungsmodul) verglichen und in die Optimierung des Rüttelprozesses einbezogen.

Dosierung des Volumenstromes, der Medienzuführung und der Medienaustritte; Verbesserung der Verdichtungswilligkeit des Verdichtungsgutes und Abstimmung auf den Rüttelprozeß

Die Medien (Wasser, Luft) werden im Rüttler geführt und auf die Rüttelsohle (während des Einfahren des Rüttlers in das Verdichtungsgut) und/oder in den Ringraum zwischen Düsenrohr und Wandung des Rüttelloches (während des Rüttelvorganges auf der jeweiligen Ziehhöhe) gelenkt. Von der Zuführung von flüssigen und gasförmigen Medien wird die Verdichtungswilligkeit des Verdichtungs­ gutes im allgemeinen erheblich beeinflußt.

Der Volumenstrom, dessen Zusammensetzung (Gas, Flüssigkeit) und Druck können nunmehr in Abhängigkeit der Informationen (Wellengeschwindigkeiten, Stromstärke, etc.) und in Abhängigkeit des temporären Verdichtungsgrades des Verdichtungsgutes geregelt werden. Dem Volumenstrom des Gases wird Flüssigkeit dosiert zugegeben (offener Injektor). Im Grenzfall kann entweder nur Gas oder nur Flüssigkeit auf die Rüttelsohle oder in den Ringraum geleitet werden. Der Volumenstrom kann auch vollständig gedrosselt werden. Er umfließt auf seinem Weg auf die Rüttelsohle und/oder in den Ringraum auch den Antrieb der Unwucht (siehe Bild 2) und kühlt diesen. Der Volumenstrom wird zur Rüttlerspitze geleitet und tritt dort über Düsen auf die Rüttelsohle und/oder er wird über ein Düsenrohr in den Ringraum geleitet. Die Düsen können symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sein und sind auf die Rüttelsohle und auf die Wandung des Rüttelloches gerichtet. Siehe Bild 4.

4 Erfassung des räumlichen und zeitlichen Verhaltens des Verdichtungsfeldes (Verdichtungskörper)

Um z. B. einen Verdichtungskörper in einem verdichtungswilligen Medium herzustellen, wird über das Verdichtungsgut ein Raster mit "n" Rüttelpunkten gelegt. Nachdem in allen Ansatzpunkten der Rüttelvorgang durchgeführt wurde, ist das Verdichtungsfeld (der Verdichtungskörper) hergestellt.

Nach Beendigung des Verdichtungsvorganges finden Anpassungssetzungen (Nachsetzungen) im jeweiligen Verdichtungspunkt und somit im gesamten Verdichtungsfeld statt. Diese werden häufig auch als zeitabhängiges Verhalten des Verdichtungsgutes (Kontinuum) gedeutet. Nach einer angemessenen Zeit werden deshalb z. Z. die unter Punkt 2 beschriebenen Verdichtungsnachweise (Drucksondierungen) wiederholt. Um ein objektives Bild über den physikalischen Zustand des Verdichtungsfeldes zu erhalten, werden auch geoelektrische Verdichtungsnachweise geführt. Aus den gemessenen elektrischen Zustandsgrößen des Verdichtungsfeldes (z. B. elektrischer Leitfähigkeit) werden z. B. dessen Verdichtungsgrad und seine räumliche Verteilung ermittelt. Siehe Bild 5. Ein Vergleich mit den unter Punkt 2 beschriebenen Verdichtungsnachweisen und den damit 4 ermittelten physikalischen Zustandsgrößen des Verdichtungsfeldes liefert das räumliche und zeitliche Verhalten des Verdichtungsfeldes.

Claims (9)

1. Einrichtung und Verfahren zur Tiefenverdichtung von bindigem und nichtbindigem Verdichtungsgut (z. B. Lockergestein) und/oder zur Bestimmung des Verdichtungszustandes des Verdichtungsgutes und seines räumlichen und zeitlichen Verhaltens, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Rüttelvorgang im Verdichtungsgut erzwungenen seismischen Wellen durch Schwingungsaufnehmer (z. B. Geophone) empfangen und durch die Registrier- und Auswerteeinheit registriert und ausgewertet werden; die Registrier- und Auswerteeinheit ist in die Prozeßsteuerung des Rüttelprozesses eingebunden;

2. die Rüttelfrequenz über einen eingebauten Frequenzumrichter variiert werden kann;

3. über die Prozeßsteuerung des Rüttelprozesses eine frequenzgeregelte Arbeitsweise auch in Verbindung mit den Ergebnissen der seismischen Messungen und damit z. B. die Nachführung der Frequenz des Rüttlers auf die jeweilige Eigenfrequenz des Verdichtungsgutes (Resonanzfall) möglich ist;

4. die Dosierung der zugeführten mechanischen Energie (z. B. als elektrische Stromstärke) auf den geforderten Verdichtungsgrad aktuell abgestimmt werden kann;

5. die auf den Rüttelprozeß und den geforderten Verdichtungsgrad abgestimmte Regelung der Medienführung und des Medienaustrittes, der Zuführung von z. B. rolligem Material und des temporären Verdichtungsgrades möglich ist; die Medienführung erfolgt im Rüttler und in der Rüttleraufhängung;

6. der Volumenstrom der zugeführten Medien (Gas, Flüssigkeit) auch zur Kühlung des Rüttlerantriebes benutzt wird;

7. die Ermittlung des Verdichtungserfolges während des Rüttelprozesses und dabei die Ermittlung der Verteilung des Verdichtungsgrades im Verdichtungsgut in vertikaler und radialer Richtung mittels in den Rüttler eingebauter Sensoren möglich sind;

8. die Erfassung des räumlichen und zeitlichen Verdichtungszustandes des Verdichtungsfeldes (Verdichtungskörper) möglich sind; Die geoelektrischen Verdichtungsnachweise nach Beendigung des Rüttelprozesses werden mit den Ergebnissen der Messungen des Verdichtungsgrades während des Rüttelprozes­ ses verglichen;

9. die Erfassung der geometrischen Daten des Rüttelprozesses anhand der Informationen von einem eingebauten Sender möglich sind.