DE19651586C2 - Bohrvorrichtung für Teilverdrängungspfähle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Bohrungen für Ortbetonpfähle im Baugrund nach einem Teilverdrängungsbohrverfahren und Verwendung dieser Vorrichtung zur Her­ stellung einer Stabilisierungsschicht und/oder Filterschicht.

Das reine Verdrängungsbohrverfahren findet seinen Einsatz dort, wo zunächst weiche Böden durchfahren werden müssen, ehe man in einen tragfähigen Bodenbereich gelangt. Verdrängungspfähle finden auch dort ihren Einsatz, wo nur wenig Bohrgut an die Ober­ fläche gefördert werden darf. Dies ist beispielsweise in kontaminierten Böden der Fall, wo hohe Entsorgungskosten für den gefährdeten Boden zu entrichten sind.

Ein weiterer Einsatz für Verdrängungspfähle sind Böden mit sehr lockerer Lagerungs­ dichte bzw. Böden mit sehr gleichförmigem Korngerüst. Bei solchen Böden erhöht sich die Tragfähigkeit des Pfahles durch die Verdrängung des Bodens wesentlich, da diese mit einer Kornumlagerung bzw. Verdichtung des Bodens verbunden ist.

Zur Herstellung von Verdrängungspfählen sind unterschiedliche Verfahren und Vor­ richtungen bekannt. Die Patentschrift DE 42 28 580 C1 beschreibt ein Rohr, bei dem sich an der Erdseite ein konisches Rohrstück befindet, welches zum Ende des Bohrwerkzeuges hin wieder zylindrisch ausläuft. Auf diesem, vom Durchmesser kleineren Rohr befinden sich geometrisch besonders geformte Schneckenwenden. Dieses Bohrwerkzeug wird in den Boden eingedreht und nach Erreichen der Endtiefe wird der erdseitige Rohrverschluß abgestoßen und der Bewehrungskorb im Inneren des Rohres eingeführt. Um einen möglichst großen Bewehrungskorb verwenden zu können, wird das zylindrische Rohr am Ende des Bohrwerkzeuges möglichst groß gewählt. Infolgedessen steht die Wendel nur sehr gering über dieses Rohr hinaus.

Diese Verdrängungspfähle werden in der Regel in sehr weichen Böden hergestellt, wobei sie so tief gebohrt werden müssen, bis sie in eine tragfähige Schicht hineinreichen. Bei diesen tragfähigen Schichten handelt es sich meistens um Sande oder Kiese.

Die weichen, sehr leicht zu verdrängenden Böden sind beispielsweise sehr weiche Tonböden, Mudde, Seetone oder locker gelagerte Sande bzw. Auffüllungen. Um bei Verdrängungspfählen möglichst große Kräfte in den Baugrund zu übertragen, wird es notwendig, den Verdrängungspfahl nach Durchörterung des weichen Bodens mehrere Meter in einen festeren Boden einzudrehen. Dies gelingt in der Regel nur mit sehr schwe­ ren Bohrgeräten, die ein hohes Drehmoment und einen hohen Anpreßdruck aktivieren können. Damit können nur große und teure Bohrgeräte eingesetzt werden.

Eine weitere Ausbildungsform für Verdrängungsbohrer zeigt die EP 0575922 A2. Hier ist am Ende eines Rohres ein zweifach konisches Übergangsverdichtungsteil angeordnet, welches wiederum im erdseitigen Bereich in ein Rohr mit Wendel übergeht. Diese Aus­ führungsform besitzt ein durchgehendes Rohr mit möglichst großem Innendurchmesser, um vor Einbringen des Betons einen möglichst großen Bewehrungskorb aufnehmen zu können. Auch bei diesen Verfahren wird mit einem verlorenen Schneckenverschluß gearbeitet. Zum Eindringen des Verdrängungsbohrers in festere Bodenschichten wird aufgrund der kleinen Wendelhöhe nur wenig Material nach oben gefördert. Somit ergibt sich nur ein sehr langsames Eindringen in den tragfähigen Boden, wobei gleichzeitig ein hohes Drehmoment benötigt wird, um den Boden über den konusförmigen Verdichtungs­ körper zu fördern. Folge davon ist ein langsamer Bohrfortschritt und hohe erforderliche Drehmomente. Dies macht wiederum große schwere Bohrgeräte mit drehstabilen Türmen notwendig.

Der Nachteil des hohen Drehmomentes ließe sich nun damit ausschließen, daß man eine Bohrschnecke verwenden würde, wie sie für die Herstellung von Schneckenortbeton­ pfählen verwendet wird. Diese durchgehende Schnecke hätte jedoch den Nachteil, daß der eigentlich zu verdrängende Boden beim Wiederherausziehen der Schnecke mit herausgefördert würde.

Ein weiteres Herstellverfahren ist in der DE 42 19 150 C1 beschrieben. Hier wird sich zu Nutze gemacht, daß eine Stabilisierungsschicht aus Filterkuchen erzeugt wird, welche die Bohrlochwendung stützt.

In weichen, bindigen Böden kann dieses Verfahren jedoch nicht zur Anwendung kommen, da sich kein Filterkuchen ausbildet.

Die Erfindung hat nun die Aufgabe, mit einem Bohrwerkzeug einen weichen Verdrän­ gungsboden mit minimaler Förderung desselben zu durchörtern und gleichzeitig beim Erreichen der festeren Tragschichten ein leichtes und schnelles Eindringen in diese festeren Schichten zu bewirken, wobei das aufzubringende Drehmoment minimiert wird, um somit leichtere und kleinere Bohrgeräte bzw. Trägergeräte verwenden zu können. Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem langen Verdrängungsrohr, welches im Durchmesser wenige Zentimeter kleiner ist als der Durchmesser des herzustellenden Pfahles. Auf diesem Stahlrohr befindet sich eine Schneckenwendel, welche nur wenige Zentimeter über das Rohr hinaussteht.

Am erdseitigen Ende der Vorrichtung befindet sich eine Bohrschnecke mit einem kleinen Seelenrohr und großen Schneckenwendeln. Dieses Bohrschneckenstück ist mit Bohr­ schneiden, Reißzähnen oder sonstigen hoch verschleißfesten Teilen besetzt, die ein leichtes Eindringen der Schnecke in den Boden bewirken. Durch die gesamte Vorrichtung verläuft ein kleines Betonierrohr mit konstantem Innendurchmesser von oben nach unten. Der Durchmesser dieses Betonierrohres beeinflußt die Wahl des minimalen Durch­ messers für das Seelenrohr der Bohrschnecke am Ende der Vorrichtung. Je kleiner der Durchmesser des Seelenrohres ist, um so leichter kann dieses kurze Bohrschneckenstück in den tragfähigen Boden eindringen.

Die Austrittsöffnung des Betonierrohres am Ende der Bohrsschnecke weist entweder nach unten oder sie wird im unteren Bereich seitlich aus der Bohrachse herausgeführt.

Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich schnell und wirtschaftlich Bohrungen für Pfähle im verdrängungsfähigen Baugrund herstellen.

Das Prinzip für Pfahlbohrungen, die bisher im wesentlichen mit reinen Verdrängungsbohrtechniken hergestellt wurden, besteht darin, daß die Bohrvorrichtung zunächst durch weichere Bereiche abgeteuft wird, in denen es möglich ist, das Bodenmaterial leichter zu ver­ drängen.

Um dem Pfahl jedoch höhere Tragfestigkeit zu verleihen, müssen auch Verdrängungs­ pfähle in den meisten Fällen in eine tragfähige Bodenschicht eindringen. Üblicherweise werden hierbei Eindringtiefen von zwei und mehr Metern erforderlich. Hier beginnen bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik die größeren Schwierigkeiten, da die reinen Verdrängerbohrwerkzeuge dieses Eindringen in den tragfähigen Boden infolge ihrer großen Kerndurchmesser nur unzureichend bewältigen, d. h. nur unter sehr hohem Kraftaufwand hinsichtlich Anpreßdruck und Drehmoment.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, mit geringem Kraftaufwand in tragfähige Bodenschichten wie Kiese und Sande, aber auch feste bindige Böden ein­ zudringen. So ist die Länge der Bohrschnecke am Anfängerteil mit kleinem Seelenrohr so gewählt, daß sie etwa der Einbindetiefe entspricht. Da die Einbindetiefe unterschiedlich sein kann, ist diese Bohrschnecke auswechselbar am Verdrängungsrohr befestigt.

Das Herstellen der Bohrung mit der erfindungsmäßigen Vorrichtung erfolgt so, daß die Vorrichtung zunächst durch die leicht verdrängbaren Bodenschichten mit minimaler Drehbewegung abgeteuft wird. Dabei wird in weichen bis flüssigen Böden praktisch kein Material nach oben gefördert. Die Wendeln am dicken Verdrängungsrohr haben dabei zwei Aufgaben:

• 1. Sie schneiden den Raum um das Verdrängungsrohr frei und reduzieren dabei die Mantelreibung auf das Rohr, was mit einer erheblichen Reduzierung des erforderli­ chen Drehmomentes verbunden ist.
• 2. Diese nur wenig überstehende Wendel, deren Überstand zweckmäßigerweise zwi­ schen 2 und 5 cm ist, dient dazu, daß nach Erreichen des tragfähigen Horizontes und beim Eindringen der Bohrschnecke in diesen tragfähigen Horizont Material aus diesem tragfähigen Horizont in die Bereiche des weicheren Verdrängungsbodens gezielt nach oben gefördert wird.

Auf diese Weise entsteht auch im Bereich des Verdrängungsbodens eine, wenn auch nur wenige Zentimeter starke Bodenschicht aus tragfähigem und in der Regel nicht bindigen Bodenmaterial, mit der Funktion einer Trenn- oder Filterschicht. Dies führt beim späteren Betoniervorgang dazu, daß die Bohrlochwandung im weichen Verdrängerboden stabili­ siert wird und deshalb dort beim Zurückziehen der Bohrvorrichtung geringere Reibungs­ kräfte auftreten und des weiteren wird der Betonverbrauch deutlich reduziert, da der Beton nicht mehr so leicht im Verdrängerboden weglaufen kann. Die zwischengeschaltete Bodenschicht aus tragfähigen und in den meisten Fällen wasseraufnahmefähigen Bodent­ eilen führt zu Ausfilterungsvorgängen im Grenzbereich Beton und weicher Verdrängerbo­ den und dabei zu einem schnelleren Ansteifen des Betons im Mantelbereich.

Ist die Bohrvorrichtung bis zur Endtiefe abgeteuft, d. h. ist die erforderliche Eindringtiefe in den tragfähigen Boden erreicht, so wird die Bohrvorrichtung im wesentlichen ohne Drehung zurückgezogen. Dabei wird durch das Betonierrohr Beton in die Bohrung einge­ bracht und unter ständiger Beibehaltung eines Betonierdruckes die Bohrvorrichtung zurückgezogen, vergleichbar mit dem Schneckenortbetonverfahren. Die mit Boden gefüllte Bohrschnecke wirkt dabei wie ein Trennstöpsel zum eingepumpten Beton. In diese mit Beton gefüllte Bohrung wird nachträglich der Bewehrungskorb eingestellt bzw. einvibriert.

Vorteile gegenüber den bisher bekannten, reinen Verdrängerbohrtechniken sind dabei die deutliche Reduzierung der erforderlichen Antriebskräfte wie Drehmoment und Anpreß­ druck sowie eine erhebliche Beschleunigung des Bohrverfahrens, da das Eindringen in die tragfähigen Bodenschichten sehr schnell und leicht erfolgen kann.

Ein weiterer Vorteil gegenüber den Verdrängungspfählen ist, daß keine verlorenen Verschlußdeckel für die Bohrvorrichtungen verwendet werden müssen. Der Betonver­ brauch beim erfindungsgemäßen Verfahren sinkt erheblich gegenüber anderen Verfahren, was insbesonders durch die Stützung oder Stabilisierung der Bohrung über die dünne Bodenschicht aus den tragfähigen Bereichen erfolgt, welche in die weicheren Boden­ bereiche bzw. in den sogenannten Verdrängerboden eingebracht wird.

Auch gegenüber den Techniken mit durchgehenden Schnecken, wie sie beispielsweise im Endlosschneckenbohrverfahren verwendet werden, weist das Verfahren mit der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung wesentliche Vorteile auf.

Beim Endlosschneckenverfahren muß nach dem Zurückziehen der Schnecke und nach der Beendigung des Betoniervorganges diese Schnecke abgeschüttelt werden. Dies führt zu erheblicher Belästigung und Gefährdung des Personals, das in der Nähe des Bohr­ gerätes arbeitet, durch herunterfallenden Boden, und führt auch zu starken Verschmut­ zungen des Trägergerätes bzw. Baggers. Durch den nur geringen Wendelüberstand über den größten Teil der Länge des Verdrängungsrohres der erfindungsgemäßen Bohrvor­ richtung kann sich an der Mantelfläche des Verdrängerrohres kaum Material ansetzen. Das Material, das sich auf der kurzen Bohrschnecke mit dem dünnen Seelenrohr befindet, wird beim Eindrehen in die nächste Bohrung von selbst abgestreift.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung praktisch kein Boden gefördert wird, was wiederum die Entsorgungskosten für das Boden­ material und den Aushub deutlich vermindert. Von besonderer Bedeutung ist dies bei Böden, die kontaminiert sind. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für die erfindungs­ gemäße Vorrichtung ist auch in Böden gegeben, bei denen das Endlosschneckenverfah­ ren aufgrund bodenmechanischer Bedingungen untersagt ist. Dies trifft beispielsweise bei Böden mit einer Ungleichförmigkeitszahl von kleiner 3 und bei Böden, die sehr locker gelagert sind, zu. Bei Verwendung einer durchgehenden Schnecke führt das Bohrverfah­ ren zu erheblichen Verdichtungen im Umkreis der Pfahlmantelflächen.

Der Boden um den Pfahl wird nachverdichtet und infolgedessen treten Setzungen in der Umgebung des Bohrpfahles auf, die wiederum zu Schäden an Gebäuden führen können. Desgleichen gibt es Böden, die in ihrer Kornzusammensetzung so gestaltet sind, daß sie dazu neigen, beim Einbringen einer Endlosschnecke besonders leicht gefördert werden zu können. In solchen Fällen ist mit unerwünschtem Bodenentzug zu rechnen, was wiederum mit einer erhöhten Setzungsgefahr verbunden ist. Durch Einsatz der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung mit nur ganz geringen Höhen der Wendel im Bereich der setzungs­ empfindlichen Schichten können die angesprochenen Gefahren im allgemeinen verhindert werden.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung wie sie an den Drehantrieb eines Bohr- bzw. Trägergerätes angebaut wird. Im Bereich des verdrängbaren Bodens besitzt die Vorrichtung ein Verdrängungsrohr 1 mit einem Durchmesser, welcher nur minimal kleiner ist als der fertige Pfahldurchmesser.

Auf diesem Verdrängungsrohr befindet sich eine Wendel 2, die um ein Maß 11 über den Außendurchmesser des Verdrängungsrohres 1 übersteht. Dieses Maß 11 liegt bevor­ zugterweise zwischen 2 und 5 cm. Am Ende des Verdrängungsrohres 1 befindet sich eine zweckmäßigerweise lösbare Befestigungsvorrichtung 12, an welcher unterschiedlich lange Bohrschnecken 3 befestigt werden können. Die Bohrschnecken 3 zeichnen sich dadurch aus, daß ihr Seelenrohr 13 im Durchmesser möglichst klein gewählt ist, um ein leichtes Eindringen der Schnecke in den tragfähigen Boden zu ermöglichen. Das günstig­ ste Verhältnis Außendurchmesser der Bohrschnecke 3 zu Außendurchmesser des See­ lenrohres 13 liegt dabei zwischen 3 : 1 bis 6 : 1. Zur Erleichterung des Eindringens in den Boden sind am Ende dieser Bohrschnecke 3 unterschiedlichste Schneide-, Reißzähne oder sonstige verschleißfeste Teile 5 angeordnet, welche das Lösen des Bodens erleich­ tern. Am Ende der Bohrschnecke 3 befinden sich - nicht dargestellt - Austrittsöffnungen für Beton. Diese können ohne Verschluß, aber auch mit besonderen Verschlußmecha­ nismen ausgestattet sein. An das Betonierrohr 4 wird der Pumpschlauch 10 der Beton­ pumpe angeschlossen.

Die Längen 6 dieser Bohrschnecken 3 sind abhängig von der erforderlichen Einbindetiefe in den tragfähigen Baugrund 7. Die Länge 6 sollte keineswegs größer sein als die er­ forderliche Einbindetiefe, kann jedoch in gewissen Bodenformationen etwas kürzer gewählt werden als die erforderliche Einbindetiefe, sofern die tragfähige Bodenschicht 7 sehr leicht bohrbar ist. Der Außendurchmesser, den die Wendel 2 beschreibt, ist im wesentlichen genauso groß wie der Außendurchmesser der Wendel 14 im Anfänger­ bereich bzw. der Bohrschnecke (3).

Der Innendurchmesser des Betonierrohres 4 hat bevorzugterweise bis zur Austrittsöffnung an der Erdseite den gleichen Durchmesser, um Verstopfungen während des Betonier­ vorganges zu verhindern. Bevorzugterweise liegt der Innendurchmesser des Betonier­ rohres 4 unter 200 mm, um auch den Außendurchmesser des Seelenrohres 13 möglichst klein zu halten, da dieses wiederum das Eindringen in den tragfähigen Boden erleichtert.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung, die in den Boden bis zur Endtiefe eingedreht ist. Im verdrängbaren und weichen Boden 9 befindet sich das Verdrängungs­ rohr 1 mit großem Durchmesser und den aufgebrachten Wendeln 2, während sich im Bereich der Krafteintragungsstrecke 6 die Bohrschnecke 3 mit dem kleinen Seelenrohr und der großen Schneckenwendel 14 befindet. Beim Eindrehen in den tragfähigen Bereich 7 fördern die Wendeln 14 das Bodenmaterial aus dem tragfähigen Bereich 7 in den Ringraum 8, der durch die Bestreichung des Bodens 9 durch die Wendeln 2 erzeugt wird.

Diese mit einem Filterkuchen vergleichbare dünne Schicht 8 führt zu einer Stabilisierung der Bohrlochwandung im Bereich des weichen Verdrängerbodens 9 bzw. sehr locker gelagerter Böden, die leicht verdichtet werden können. Dieser Ringraum 8 ist mit Material aus den tragfähigen Schichten 7 gefüllt, welcher in der Regel aus nicht bindigem Material besteht. Durch das gleichzeitige Freischneiden der Wendeln 2 reduziert sich die Reibung gegenüber dem Verdrängungsrohr 1, da sich der weiche Boden 9 nicht mehr flächig an das Rohr anlegen kann. Gleichzeitig wird der weiche Boden 9 im Oberflächenbereich der Bohrlochwandung durch Material aus dem Gründungsbereich 7 gestützt bzw. stabilisiert.

Dies führt zur Reduzierung des Betonverbrauches und verhindert ein großflächiges Weglaufen des Betons in die weichen Schichten 9.

Gleichzeitig bewirken die Wendeln 2 ein Freischneiden des Verdrängungsrohres 1, was zu einer Verminderung des erforderlichen Drehmomentes führt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Bohrungen für Ortbetonpfähle im Baugrund nach einem Teilverdrängungsbohrverfahren in Böden, bei denen nach Durchörterung eines Verdrängungsbodens die Einbindung der Pfähle in einen festen tragfähigen Boden erfolgen muß, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bohrvorrichtung zu einem Teil aus einem Verdrängungsrohr (1) besteht, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der zu erstellenden Bohrung,
daß das Verdrängungsrohr (1) mit einer durchgehenden Wendel (2) versehen ist, welche über den Durchmesser des Verdrängungsrohres (1) nur um wenige Zenti­ meter übersteht,
daß das Verdrängungsrohr (1) längenmäßig so gewählt ist, daß es sich mindestens über die Schichtdicke des Verdrängungsbodens (9) erstreckt,
und daß am erdseitigen Ende des Verdrängungsrohres (1) lösbar eine Bohrschnecke (3) befestigt ist, welche eine längenmäßige Ausdehnung (6) besitzt, die annähernd der Einbindelänge in den tragfähigen Baugrund (7) entspricht,
und daß dieses Schneckenstück (3) auf seine ganze Länge mit einer Wendel (14) versehen ist, welche im Außendurchmesser annähernd dem Außendurchmesser der Wendel (2) entspricht,
und daß das Seelenrohr (13) der Bohrschnecke (3) im Durchmesser so klein gewählt wird, daß sein Durchmesser annähernd vom Durchmesser des Betonierrohres (4) bestimmt wird und daß damit das Seelenrohr (13) einen möglichst geringen Bohr­ widerstand bietet,
und daß das Betonierrohr (4) mit beibehaltenem Innendurchmesser durch das Verdrängungsrohr (1) nach oben geführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand (11) der durchgehenden Schneckenwendel (2) in einem Bereich von 2 bis 5 cm liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei den Bohrschnecken (3) der Außendurchmesser der Wendel (14) zum Au­ ßendurchmesser des Seelenrohres (13) in einem Verhältnis von 3 : 1 bis 6 : 1 steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrschnecken (3) in einem Längenbereich zwischen 2 und 5 m liegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrschnecken (3) an ihrem erdseitigen Ende mit Schneid-, Reißzähnen, Rundschaftmeißeln oder sonstigen verschleißfesten Teilen besetzt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe der Wendel (2) auf dem Verdrängungsrohr (1) konstant gewählt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe der Wendel (14) auf den Bohrschnecken (3) konstant gewählt wird.

8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung einer Stabilisierungsschicht und/oder Filterschicht dadurch gekennzeichnet, daß beim Einbringen der Vorrichtung Bodenmaterial aus dem Gründungsbereich (7) in einen Ringraum (8) gefördert wird, der im Bereich des Verdrängungsbodens (9) erzeugt wird.

9. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Betons in die Bohrung beim Zurückziehen der Vorrichtung unter Aufbringen und Beibehaltung eines Betondruckes erfolgt und daß dabei die Vorrichtung nicht gedreht wird.