DE19928692C1 - On-line ground compaction control method uses detected sensor values for calculating system dynamic characteristics and actual ground loading for control of vibratory compactor - Google Patents

On-line ground compaction control method uses detected sensor values for calculating system dynamic characteristics and actual ground loading for control of vibratory compactor

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Abstract

The compaction control method uses measurement of the penetration depth of a vibratory compactor (3) using one or more sensors associated with the vibratory compactor tool (7) for determining the inclination angle to the vertical, the rotation angle of the out-of-balance weight and at least one horizontal deflection of the compactor tool, from which the system dynamic characteristics and the actual ground loading density are calculated, for comparison with the required ground loading density.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, bei dem während der Durchführung einer Bodenverbesserung mit Hilfe von Tiefenrüttlern bereits während der Herstellung auf die erreichte Lagerungsdichte geschlossen werden kann.The invention describes a method in which a Soil improvement with the help of deep vibrators during production the storage density reached can be concluded.

Gerade bei großflächigen Gründungen ist es von höchster Bedeutung, daß sich bei dem Bauwerk die Setzungen gleichmäßig einstellen. Rollige, locker gelagerte Böden werden deshalb zweckmäßigerweise vorher mit Tiefenrüttlern verdichtet. Der Tiefen­ rüttler ist in der Regel eine kreiszylinderförmige Vorrichtung, in der eine Unwucht rotiert.Especially with large-scale foundations, it is of the utmost importance that adjust the settlements evenly to the building. Rolly, loosely stored floors are therefore suitably compacted beforehand with deep vibrators. The deep Vibrator is usually a circular cylindrical device in which an unbalance rotates.

Mit diesen Tiefenrüttlern wird entweder der Boden punktweise verdichtet, und der Boden setzt sich dabei, oder es wird während des Rüttelvorgangs an den einzelnen Punkten Kies oder Schotter dem Erdreich zugesetzt, um einzelne Schotter- bzw. Bodensäulen zu erhalten, welche höher verdichtet sind und somit höhere Lasten bei kleinerer Setzung in den Boden abtragen können.With these deep vibrators, either the soil is compacted point by point, and the Soil settles, or it gets on the individual during the shaking process Points of gravel or crushed stone added to the soil to separate gravel or To get floor columns, which are more compacted and thus higher loads smaller subsidence in the soil.

Am Ende der Bodenverdichtungsmaßnahme muß die Verbesserung der Lagerungs­ dichte nachgewiesen werden. Dies erfolgt in der Regel dadurch, daß in dem ver­ besserten Bodenbereich zahlreiche Sondierungen durchgeführt werden. Über die Meßwerte dieser genormten Sondiersonden wird näherungsweise auf die Lagerungs­ dichte geschlossen.At the end of the soil compaction measure the improvement of the storage must density can be demonstrated. This is usually done in that in the ver improved soil area, numerous soundings are carried out. About the Measured values of these standardized probes are approximated to the positioning density closed.

Ergeben die Sondierungen, daß der Boden noch nicht ausreichend verdichtet ist, so werden erneut Verdichtungen mit dem Tiefenrüttler ausgeführt. Dies kann mit hohen nicht kalkulierten Folgekosten verbunden sein.If the soundings show that the soil is not yet sufficiently compacted, then compaction is carried out again with the deep vibrator. This can be done with high incalculable follow-up costs.

Aus diesem Grund hat man sich schon seit längerer Zeit Gedanken gemacht, wie man durch unmittelbare Messung der Herstellparameter auf die erreichte Verbesserung des Bodens schließen kann. For this reason, people have been thinking about how to do it for a long time by directly measuring the manufacturing parameters for the improvement achieved of the floor can close.  

Der Antrieb der Tiefenrüttler erfolgt entweder mit einem Elektromotor oder über einen Ölmotor. So wird bereits seit Jahren während des Rüttelns die aufgenommene Strom­ stärke bzw. der Öldruck über die eingerüttelte Tiefe aufgezeichnet. Des weiteren wird auch die Gesamtenergie, die in den Boden eingetragen wird, ermittelt.The deep vibrator is either driven by an electric motor or by a Oil engine. This has been the current consumed while shaking for years strength or the oil pressure recorded over the vibrated depth. Furthermore, the total energy that is entered into the soil is also determined.

Trotz tausender Messungen konnte bisher kein eindeutiger Zusammenhang aus diesen Meßwerten und dem erreichten Verdichtungsgrad im umgebenden Boden hergestellt werden.Despite thousands of measurements, no clear connection has been established so far these measured values and the degree of compaction achieved in the surrounding soil getting produced.

Vereinzelt werden direkt am Rüttler Schwingungsaufnehmer befestigt und die aufge­ tretenen Schwingungen tiefenabhängig registriert. Auch bei diesem Verfahren konnte bisher kein eindeutiger Schluß auf die erreichte Lagerungsdichte des Bodens gezogen werden.In some cases, vibration sensors are attached directly to the vibrator and they are opened occurring vibrations registered depending on depth. Even with this procedure So far no clear conclusion has been reached on the storage density of the soil become.

Die DE 196 28 769 beschreibt ein Verfahren, bei dem Geophone bzw. Schwingungsauf­ nehmer an der Geländeoberfläche bzw. im Boden, der den Rüttler umgibt, angeordnet werden. Durch die naturbedingten Inhomogenitäten im Baugrund lassen sich jedoch bei zunehmender Eindringtiefe keine eindeutigen Rückschlüsse auf die erreichte Lagerungsdichte in unmittelbarer Nähe des Tiefenrüttlers ziehen.DE 196 28 769 describes a method in which geophones or vibrations are generated arranged on the site surface or in the ground that surrounds the vibrator become. However, due to the natural inhomogeneities in the subsoil with increasing depth of penetration no clear conclusions about the achieved Draw the storage density in the immediate vicinity of the deep vibrator.

Des weiteren werden seit vielen Jahren an unterschiedlichen Stellen der Tiefenrüttler Sensoren oder Schwingungsaufnehmer befestigt. Trotz intensiver Versuchsprogram­ me, welche auch der Anmelder durchgeführt hat, konnten bei den Schwingungs­ messungen keine eindeutigen Rückschlüsse auf die erreichte Lagerungsdichte erzielt werden.Furthermore, the deep vibrator has been used in various places for many years Sensors or vibration sensors attached. Despite an intensive test program me, which the applicant has also carried out, with the vibration measurements did not give any clear conclusions about the storage density achieved become.

Durch die Anordnung von Schwingungsaufnehmern direkt am Rüttler bzw. an der Rüttlerspitze konnten zwar bisher erfolgreich Amplituden gemessen werden, aber dies führt im wesentlichen nicht dazu, die Lagerungsdichte bestimmen zu können, sondern die Messung der Amplituden führte dazu, die Leistung der Tiefenrüttler zu optimieren. Ziel und Ergebnis war, den richtigen Rüttler im richtigen Boden zu finden. By arranging vibration sensors directly on the vibrator or on the So far, vibrators have successfully measured amplitudes, but they have essentially does not lead to being able to determine the storage density, but rather measuring the amplitudes led to optimizing the performance of the deep vibrators. The aim and result was to find the right vibrator in the right floor.  

Das heißt, man erhielt aus den Ergebnissen der Schwingungsmessungen Rüttler, welche in unterschiedlichen Böden den maximalen Leistungseintrag erreichten. Aus diesen Ergebnissen ließ sich jedoch nicht schließen, wie oft und wie lange man einen Rüttelpunkt bearbeiten muß, um die optimale Verdichtung des umgebenden Bodens zu erreichen.This means that the results of the vibration measurements gave vibrators, which achieved the maximum power input in different soils. Out However, these results could not be concluded how often and for how long Vibration point must be worked in order to achieve the optimal compaction of the surrounding soil to reach.

Die Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zu finden, wie man aus unterschiedlichen Meßwerten von Sensoren in möglichst direkter Weise auf die Lagerungsdichte des umgebenden Bodens sowie die Veränderung dieser Lagerungsdichte während des Rüttelns schließen kann.The object of the invention is to find a method of how to make different Measured values from sensors in the most direct way possible on the bearing density of the surrounding soil and the change in this density during the Shaking can close.

Die Erfindung löst die Aufgabe entsprechend dem Wortlaut des Anspruchs 1 und folgenden.The invention solves the problem according to the wording of claim 1 and following.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to FIGS. 1 to 4.

In Fig. 1 ist ein vereinfachter horizontaler System-Schnitt durch den Tiefenrüttler dargestellt. Die im wesentlichen kreiszylinderförmigen Tiefenrüttler werden durch einen Rüttelmantel 2 umhüllt. Um die Rüttlerachse M rotiert ein Unwuchtgewicht U im Inneren des Rüttlers.In Fig. 1 is a simplified system horizontal section through the deep vibrator. The essentially circular cylindrical deep vibrators are encased by a vibrating jacket 2 . An unbalance weight U rotates around the vibrator axis M in the interior of the vibrator.

In Fig. 2 ist ein horizontaler Schnitt durch einen sich im Rüttelvorgang befindlichen Rüttler dargestellt. Dabei bewegt sich die Achse des Rüttlers M infolge der Fliehkräfte ungefähr auf einer Kreisbahn K. Das heißt, der Mittelpunkt M nimmt unterschiedliche Lagen M' auf der Kreisbahn K ein.In Fig. 2 is a horizontal section through a vibration process is located in the vibrator. As a result of the centrifugal forces, the axis of the vibrator M moves approximately on a circular path K. That is, the center M assumes different positions M 'on the circular path K.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen Tiefenrüttler dargestellt. Die Tiefenrüttlereinheit besteht aus dem Tiefenrüttler 3, in dem sich die rotierende Unwucht befindet, und dieser Tiefenrüttler 3 ist über mindestens ein Gelenk 4 mit einem oder mehreren Aufsatzrohren 5 verbunden, die bis an die Erdoberfläche hochreichen. In Fig. 3 a section through a deep vibrator. The deep vibrator unit consists of the deep vibrator 3 , in which the rotating imbalance is located, and this deep vibrator 3 is connected via at least one joint 4 to one or more attachment tubes 5 , which reach up to the surface of the earth.

Die Rüttlerachse 6 ist der Ort, auf dem sich der Punkt M bei ruhendem Rüttler befin­ det. Rechts von dem systematisch dargestellten Tiefenrüttler ist der Verkippungs­ winkel α dargestellt, der sich während des Rüttelns im Erdreich einstellt. Die im wesentlichen horizontal auftretende Auslenkung der Rüttlerspitze 7 hat die Größe A. Die im wesentlichen horizontale Auslenkung des Rüttlers im Bereich des Gelenkes 4 hat den Betrag A' und ist auch durch die Ausbildung und Größe des Gelenkes 4 beeinflußt.The vibrator axis 6 is the place where the point M is when the vibrator is at rest. To the right of the deep vibrator, shown systematically, is the tilt angle α, which occurs during the vibrations in the ground. The essentially horizontal deflection of the vibrator tip 7 has size A. The essentially horizontal deflection of the vibrator in the area of the joint 4 has the amount A 'and is also influenced by the design and size of the joint 4 .

In Fig. 4 ist ein horizontaler Schnitt im unteren Teil der Rüttlerspitze 3 während des Rüttelvorgangs ins Erdreich dargestellt. Durch die Bewegung der Unwucht U, welche um den Mittelpunkt M dreht, führt der Rüttelmantel 2 eine taumelnde Bewegung aus. Der Mittelpunkt M der Rüttlerspitze bewegt sich näherungsweise kreisförmig im Abstand A um die ursprüngliche Ruheachse O. Durch die Tatsache, daß die Rüttler­ spitze im Boden nicht reibungsfrei schwingen kann, sondern infolge des anstehenden Bodens einem System aus Federn und Dämpfungselementen ausgesetzt ist, stellt sich zusätzlich zum Verkippungswinkel α in vertikaler Richtung ein Phasenwinkel ϕ zwischen der Unwucht und der Auslenkung des Rüttelmantels ein. Dieser Phasenwin­ kel ϕ steht im unmittelbaren Zusammenhang mit der Federsteifigkeit und der Dämp­ fung des Rüttler-Boden-Systems.In FIG. 4 is a horizontal section in the lower portion of the vibrator tip 3 during the vibration process is illustrated in the ground. Due to the movement of the unbalance U, which rotates around the center M, the vibrating jacket 2 executes a wobbling movement. The center point M of the vibrator tip moves approximately circularly at a distance A around the original rest axis O. The fact that the vibrator tip cannot vibrate smoothly in the ground, but is exposed to a system of springs and damping elements as a result of the ground, also arises a phase angle ϕ between the unbalance and the deflection of the vibrating jacket to the tilt angle α in the vertical direction. This phase angle ϕ is directly related to the spring stiffness and damping of the vibrator-floor system.

Die Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur online-Verdichtungskontrolle während des Rüttelvorgangs basiert darauf, daß sich bei einem vorgegebenen Boden- Rüttler-Schwingungssystem ein direkter Zusammenhang ergibt aus der Lagerungs­ dichte des Bodens mit seiner Porenzahl und den Kennwerten für die Dämpfung c und der Federsteifigkeit k. Kennt man den Verkippungswinkel α der Rüttlerspitze 3 und wenigstens eine horizontale Auslenkung A im Bereich zwischen unterer Rüttlerspitze 7 und Rüttlergelenk 4, und kennt man den Phasenwinkel ϕ zwischen der Unwucht und der Auslenkung des Rüttlermantels, so ist es möglich, mit Hilfe von Dämpfung und Federsteifigkeit die Porenzahl zu berechnen und in der Folge die Lagerungsdichte. The solution of the method according to the invention for online compaction control during the vibrating process is based on the fact that a given connection between the vibrating system and the floor vibrator results in a direct relationship from the storage density of the soil with its number of pores and the characteristic values for the damping c and the spring stiffness k. If you know the tilt angle α of the vibrator tip 3 and at least one horizontal deflection A in the area between the lower vibrator tip 7 and the vibrator joint 4 , and if you know the phase angle ϕ between the unbalance and the deflection of the vibrator jacket, it is possible with the aid of damping and spring stiffness to calculate the number of pores and subsequently the storage density.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht nun darauf, daß während des Rüttelvorgan­ ges durch ständige Messung des Verkippungswinkels α der im wesentlichen horizon­ talen Auslenkung A der Rüttlerspitze und dem sich einstellenden Phasenwinkel ϕ, die Lagerungsdichte ermittelt wird, und diese ständig mit den angestrebten Werten für die Lagerungsdichte verglichen wird.The method according to the invention is now based on the fact that during the vibrating process by constant measurement of the tilt angle α of the essentially horizon talen deflection A of the vibrator tip and the resulting phase angle ϕ, Storage density is determined, and this constantly with the desired values for the Storage density is compared.

Durch eine ständige Sollwert- und Istwert-Ermittlung wird der Rüttelvorgang genau so lange durchgeführt, bis die angestrebten Werte der Lagerungsdichte erreicht sind. Diese ständige Kontrolle führt dazu, daß nicht aus Unwissenheit zu lange Rüttelzeiten durchgeführt werden. Ebenso vermindert sich durch dieses erfindungsgemäße Vorge­ hen das Risiko, daß nach Beendigung des ersten Verdichtungsdurchganges noch einmal nachgerüttelt werden muß. Auf diese Weise führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.The shaking process is exactly the same through constant setpoint and actual value determination long until the desired storage density values are reached. This constant control leads to not too long shaking times out of ignorance be performed. Likewise reduced by this invention hen the risk that after the end of the first compression run still must be shaken once. In this way, the invention Process for increasing the economy.

Die erforderlichen Meßwerte können mit unterschiedlichen in und an der Rüttlerspitze 3 angebrachten Sensoren erfolgen. Die Sensoren können elektronische Winkel­ messer oder Beschleunigungsaufnehmer sein. Je nach Konstruktion der Aufhängung bzw. je nach Ausbildung der Rüttelgelenke 4 kann es zweckmäßig sein, die Aus­ lenkungen A der Rüttlerspitze an einer oder mehreren Stellen der Rüttlerspitze zu messen. Der Verkippungswinkel α kann entweder gesondert oder mit Hilfe von zwei Meßpunkten der Auslenkung A erfolgen, die sich bevorzugterweise zwischen unterer Rüttlerspitze 7 und Rüttlergelenk 4 befinden.The required measured values can be carried out with different sensors attached in and on the vibrator tip 3 . The sensors can be electronic angle meters or accelerometers. Depending on the design of the suspension or depending on the design of the vibrating joints 4 , it may be appropriate to measure the deflections A of the vibrating tip at one or more points of the vibrating tip. The tilt angle α can either take place separately or with the aid of two measuring points of the deflection A, which are preferably located between the lower vibrator tip 7 and the vibrator joint 4 .

Durch die ständige Kontrolle der erreichten Lagerungsdichte mit der angestrebten Lagerungsdichte wird es möglich und zweckmäßig, beim Rüttelvorgang die Frequenz des Rüttlers aus Optimierungs- und Beschleunigungsgründen zu verändern. Durch die erfindungsgemäße Messung der Parameter A, ϕ, und α ist es möglich, schnellst­ möglich den Einfluß der Rüttelfrequenz auf die Verdichtungswirkung zu erhalten. Through constant control of the storage density achieved with the target Storage density becomes possible and expedient, the frequency during the shaking process to change the vibrator for reasons of optimization and acceleration. Through the Measurement of the parameters A, ϕ, and α according to the invention makes it possible as quickly as possible possible to get the influence of the vibration frequency on the compaction effect.  

Des weiteren können die Spülwassermenge und der Spülwasserdruck durch die ständige Kontrolle des Verdichtungsgrades optimal gesteuert und angepaßt werden.Furthermore, the amount of flushing water and the flushing water pressure can be reduced by the constant control of the degree of compaction can be optimally controlled and adjusted.

Werden als Sensoren Schwingungsaufnehmer verwendet, so ist es zweckmäßig, daß eine Oberwellenanalyse stattzufinden hat (Fast-Fourier).If vibration sensors are used as sensors, it is advisable that a harmonic analysis has to take place (Fast Fourier).

Claims (6)

1. Verfahren zur online-Verdichtungskontrolle eines Bodens beim Einsatz eines Tiefenrüttlers, dadurch gekennzeichnet,
daß zur gemessenen Eindringtiefe T des Tiefenrüttlers (3) der Verkippungswinkel (α) zur vertikalen Nullachse (6), und der Vorlaufwinkel (ϕ) der Unwucht (U) gegenüber dem Rüttlermantel (2) und mindestens eine horizontale Auslenkung (A, A', A") zwischen der Rüttlerspitze (7) und des Rüttlergelenks (4) über einen oder mehrere Sensoren, die an oder in der Rüttlerspitze (3) befestigt sind, direkt oder indirekt erfaßt wird,
und daß daraus bodendynamische Kennwerte des Systems Rüttler-Boden wie Dämpfung c und Federsteifigkeit k berechnet werden, und damit die momentane Lagerungsdichte des umgebenden Bodens ermittelt wird,
und daß dieser Wert ständig mit einem vorgegebenen Zielwert für die Lagerungs­ dichte des Bodens verglichen wird,
und daß der Rüttelvorgang so lange weitergeführt wird, bis der Zielwert der Lagerungsdichte des Bodens erreicht ist.1. A method for online compaction control of a soil when using a deep vibrator, characterized in that
that to the measured penetration depth T of the deep vibrator ( 3 ) the tilt angle (α) to the vertical zero axis ( 6 ), and the lead angle (ϕ) of the unbalance (U) with respect to the vibrating jacket ( 2 ) and at least one horizontal deflection (A, A ', A ") between the vibrator tip ( 7 ) and the vibrator joint ( 4 ) via one or more sensors which are attached to or in the vibrator tip ( 3 ), is detected directly or indirectly,
and that from this the soil dynamic characteristics of the vibrator-soil system, such as damping c and spring stiffness k, are calculated, and the instantaneous density of the surrounding soil is determined,
and that this value is constantly compared with a predetermined target value for the storage density of the soil,
and that the shaking process is continued until the target value of the storage density of the soil is reached. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die neuen Messungen nach Anspruch 1 auch im Zusammenspiel mit den herkömmlichen Messungen der Leistungsaufnahme (Stromstärke, Öldruck) und der verbrauchten Energie zur Verdichtungskontrolle dienen. 2. The method according to claim 1, characterized in that the new measurements according to claim 1 also in interaction with the conventional measurements of power consumption (current, oil pressure) and serve the energy used for compaction control.   3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß während des Rüttelvorganges am gleichen Verdichtungspunkt die Rüttler­ frequenz verändert wird, um eine Optimierung der Verdichtungswirkung hinsicht­ lich Zeit, Qualität und Reichweite zu erreichen.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the vibrators at the same compression point during the vibrating process frequency is changed in order to optimize the compression effect time, quality and reach. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß durch die Meßwerte die Spülwassermenge und/oder der Spülwasserdruck und/oder die Zugabe von Schüttmaterial geregelt wird.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the flushing water quantity and / or the flushing water pressure by the measured values and / or the addition of bulk material is regulated. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse der Meßwerte durch eine Oberwellenanalyse (Fast-Fourier) erfolgt.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the analysis of the measured values by a harmonic analysis (Fast Fourier) he follows. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren an der Rüttlerspitze (3) Beschleunigungsaufnehmer und/oder Winkelaufnehmer und/oder Kompasse und/oder Wegaufnehmer sind.6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the sensors on the vibrator tip ( 3 ) are acceleration sensors and / or angle sensors and / or compasses and / or displacement sensors.
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