DE19930884A1

DE19930884A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Tiefenverdichtung mit gesteuerter Frequenz- und Unwuchtänderung eines Tiefenrüttlers

Info

Publication number: DE19930884A1
Application number: DE1999130884
Authority: DE
Inventors: J Berg; J Koecher
Original assignee: Keller Grundbau GmbH
Current assignee: Keller Grundbau GmbH
Priority date: 1999-07-05
Filing date: 1999-07-05
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2019-07-06
Also published as: DE19930884B4

Abstract

Verfahren zum Verdichten von Böden mittels eines Tiefenrüttlers, der von zumindest einer um eine vertikale Längsachse umlaufenden Unwuchtmasse erregt in den Boden abgesenkt und aus diesem wieder gezogen wird, wobei die Größe der Unwuchtmasse zur Veränderung der effektiven Schlagkraft während des Absenkens und/oder des Ziehens verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten von Böden mittels eines Tiefenrüttlers, der von zumindest einer um eine vertikale Längsachse umlaufenden Unwuchtmasse erregt in den Boden abgesenkt und aus diesem wieder gezogen wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Tiefenrüttler zur Durch führung des Verfahrens mit einem länglich zylindrischen Gehäuse mit einer Längsachse und einer koaxial im Gehäuse gelagerten motorisch antreibbaren Drehachse sowie einer mit der Drehachse umlaufenden Unwuchtmasse.

Das Verdichten von rolligen Böden bis in große Tiefen und in beliebiger Mächtigkeit mittels Tiefenrüttlern ist erprobt. Die Anwendung des Verfahrens bis in Tiefen von 50 Meter ist bereits ausgeführt. Tiefen von 70 Metern sind angestrebt. Die Rüttler arbeit erfolgt durch Antrieb einer Unwuchtmasse um die Längs achse im vertikal aufgehängten Rüttlergehäuse, die von einem darüber angeordneten Elektro- oder Hydraulikmotor angetrieben wird. Der Tiefenrüttler wird durch Verlängern mittels eines Rohrstranges, in dem die Versorgungsleitungen verlaufen (Strom, Wasser, Hydrauliköl), für die gewünschte Tiefe hergerichtet. Das so gebildete Aggregat wird an einem Bagger oder einem speziellen Traggerät mit einem Mäkler gehalten und geführt. Der Aufhänge punkt befindet sich am oberen Ende des Rohrstranges. Am unteren Ende des Rohrstranges ist der Tiefenrüttler mittels einer be weglichen Kupplung angelenkt. Idealerweise soll der Tiefenrütt ler am Anlenkpunkt in Ruhe bleiben und mit der unten liegenden Rüttlerspitze eine Kreisschwingung ausüben. Die Bewegung des Rüttlers wird somit von einem Kegel mit obenliegender Spitze eingehüllt. Die Bewegung des Rüttlers wird dann der Umlauffre quenz und der Größe der Unwuchtmasse bestimmt und entspricht nicht notwendig dem vorgenannten Idealfall. Bei Veränderungen der einen oder der anderen Größe können die Pendelbewegung des Rüttlers in eine Taumelbewegung um einen Ruhepunkt auf der Rütt lerlängsachse übergehen und damit die Rückwirkungen auf den Rohrstrang verstärkt werden.

Die Verdichtung des Bodens erfolgt von unten nach oben. Nach Absenken des Tiefenrüttlers auf die vorgesehene Endtäufe wird er entweder kontinuierlich nach oben gezogen oder aber stufenweise, z. B. in Schritten von 20 bis 100 cm, wobei er auf jeder Stufe eine Weile von vorzugsweise 20 bis 60 Sekunden verharrt.

Die Verdichtung des Bodens ist naturgemäß mit einer Volumenver minderung verbunden, die sich an einer Trichterbildung und an konzentrischen Setzrissen um den Trichter an der Geländeober fläche sowie an einer Neigung der Geländeoberfläche im weiteren zum Trichter hin zeigt, sofern nicht Material zugeführt wird. Im bisher bekannten Rüttlerbetrieb ist es üblich, mit einer einge stellten Umlauffrequenz zu arbeiten und die vom Rüttlermotor aufgenommene Leistung zu kontrollieren. Hiermit sollen zum einen unzulässige Belastungen vermieden werden, zum anderen werden Verdichtungsschritte bei nur noch geringem Leistungsanstieg abgebrochen und der Tiefenrüttler auf die nächste Stufe gezogen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und einen Tiefenrüttler bereitzustellen, mit denen eine verbesserte Bodenverdichtungsleistung erzielt werden kann.

Hierzu wird vorgeschlagen, daß die Größe der Unwuchtmasse zur Veränderung der effektiven Schwingweite während des Absenkens und/oder der Ziehens oder beim Übergang vom Absenken auf das Ziehen verändert wird. Mit diesen Maßnahmen können insbesondere bei einer fest eingestellten Umlauffrequenz ein Absenken des Tiefenrüttlers mit reduzierter Schwingweite und ein Ziehen des Tiefenrüttlers mit optimaler Schwingweite bei größerer effekti ver Unwuchtmasse erzielt werden.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Umlauffrequenz der Unwuchtmasse zur Veränderung der effektiven Schlagkraft während des Absenkens und/oder Ziehens bzw. bei der Umkehr vom Absenken zum Ziehen verändert wird. Hiermit ist es möglich, mit hoher Umlauffrequenz der Unwuchtmasse und damit hoher Schlagkraft den Tiefenrüttler leichter niederzubringen und mit reduzierter Um lauffrequenz der Unwuchtmasse und damit geringerer Schlagkraft das Ziehen und damit das Verdichten von unten nach oben durchzuführen.

In besonders bevorzugter Ausführung des Verfahrens werden die beiden vorgenannten Variationsmöglichkeiten aufeinander abge stimmt und in Kombination miteinander durchgeführt. Hierzu wird insbesondere vorgeschlagen, daß die Größe der Unwuchtmasse mit steigender Umlauffrequenz reduziert wird und mit sinkender Um lauffrequenz erhöht wird. Hierbei wird der Tiefenrüttler ins besondere mit der erhöhten Umlauffrequenz und der reduzierten Unwuchtmasse in den Boden abgesenkt und mit geringerer Umlauf frequenz und erhöhter Unwuchtmasse in Verdichtungsschritten aus dem Boden gezogen. Diese gegenläufigen Änderungen sind vorteil haft, um bestimmte Höchstbelastungen für den Rüttler und den Rohrstrang nicht zu überschreiten, andererseits jedoch mit größtmöglicher Leistung die Verdichtung des Bodens durchzufüh ren. Bei Aufnahme entsprechender Meßgrößen kann eine individuel le Anpassung an die Bodenverhältnisse in verschiedenen Tiefen erfolgen, d. h. ständige Änderungen der Parameter während des gesamten Verfahrens sind möglich, daneben auch kontinuierliche Veränderungen der Parameter während einzelner Verdichtungs schritte, je nach Fortschritt des Verdichtungsvorgangs. Es ist bekannt, daß sich der Boden besonders gut verdichten läßt, wenn Rüttlerfrequenz und Eigenfrequenz des Bodens zusammenfallen. Deshalb wird dieser Zustand angestrebt, d. h. in jeder Stufe ist die Umlauffrequenz der Unwuchtmasse zumindest an die Eigenfre quenz des Bodens heranzuführen. Dies führt zu einer Verkürzung des Zeitaufwandes für den Verdichtungsvorgang. Eine Datenauf nahme, die zu einer Identifizierung des Verdichtungsfortschrit tes und der Eigenfrequenz des Bodens und daraus abgeleitet zu einer Optimierung der Größe der Unwuchtmasse und der Umlauf frequenz der Unwuchtmasse führen soll, kann durch Sensoren auf der Bodenoberfläche oder durch Sensoren im Tiefenrüttler selber erfolgen. Hiernach kann mit einer entsprechenden Datenverarbei tungs- und Steuereinheit die notwendige Änderung der Umlauf frequenz der Unwuchtmasse und falls erforderlich, die Änderung der Größe der Unwuchtmasse erfolgen.

Ein Rüttlerkopf der zur Durchführung der vorstehend genannten Verfahren geeignet ist, ist gekennzeichnet durch Mittel zum Verändern des radialen Abstandes des Schwerpunktes der Unwucht masse von der Längsachse und einen drehzahlveränderlichen An trieb für die Drehachse. Weitere konkrete Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Näheres zum Aufbau und zur Funktion ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele.

Ausführungsbeispiele von veränderlichen Unwuchtmassen erfin dungsgemäßer Tiefenrüttler sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Unwuchtmasse mit radial verstellbaren Mas senkörpern

a) im Querschnitt
b) im Längsschnitt;

Fig. 2 zeigt eine Unwuchtmasse mit zur Drehachse verdrehbaren Massenkörpern

a) im Längsschnitt in zwei Positionen
b) im Querschnitt in zwei Positionen;

Fig. 3 zeigt eine Unwuchtmasse mit zur Drehachse verstell baren Massenkörpern mit einem Fliehgewicht

a) im Längsschnitt
b) im Querschnitt in zwei Positionen;

Fig. 4 zeigt eine Unwuchtmasse mit zur Drehachse verstell baren Massenkörpern

a) im Längsschnitt
b) im Querschnitt.

In Fig. 1 ist ein Abschnitt eines Mantelrohres 11 eines Tiefen rüttlers dargestellt, in dem eine veränderliche Unwuchtmasse in einem Zylinderbehälter 12 angeordnet ist, der koaxial innerhalb des Mantels 11 liegt. Der Behälter 12 ist mit oberen und unteren Abschnitten einer Drehachse 13a, 13b fest verbunden. Im Behälter 12 liegt ein erster Massenkörper 14, der fest angeordnet ist und dessen Schwerpunkt mit M₁₄ bezeichnet ist. Der Massenkörper 14 ist drehfest im Behälter 12 und damit drehfest gegenüber der Drehachse 13 befestigt. Oberhalb und unterhalb des Massenkörpers 14 liegen zweite Massenkörper 15 ₁, 15 ₂, die in einer Führung 16 im Behälter 12 auf Radialstrahlen zur Längsachse L verschiebbar sind. Die Massenschwerpunkte der zweiten Massenkörper 15 ₁, 15 ₂ sind mit M_{15 1} und M_{15 2} bezeichnet. Die Massenschwerpunkte der ersten und zweiten Massenkörper liegen in der im Längsschnitt gezeigten Schnittebene und bezüglich der Längsachse L auf sich gegenüberliegenden Seiten. Die zweiten Massenkörper 15 ₁, 15 ₂ sind über Zugfedern 16 ₁, 16 ₂ so im Behälter 12 aufgehängt, daß sie sich bei zunehmender Drehzahl unter dem Einfluß von Fliehkräften radial von der Längsachse L wegbewegen, so daß die resultierende Unwuchtmasse aus ersten und zweiten Massenkörpern 14, 15 ₁, 15 ₂ geringer wird, indem der Gesamtmassenschwerpunkt sich der Längs achse L annähert.

In Fig. 2 ist ein Abschnitt eines Mantelrohres 21 eines Tie fenrüttlers gezeigt. Koaxial zur Längsachse L ist ein Abschnitt einer Drehachse 23 dargestellt. Zwei erste Unwuchtmassen 24 ₁, 24 ₂ sind mit axialem Abstand voneinander drehfest an der Drehachse 23 befestigt. Zwischen beiden ist ein zweiter Massenkörper 25 gezeigt, die drehbar auf der Drehachse 23 gelagert ist, wobei zwei Endpositionen durch zwei Endanschläge definiert sind. Bei Drehung der Drehachse 23 bleibt der zweite Massenkörper 25 auf grund Trägheit gegenüber der Drehachse und damit gegenüber den ersten Massenkörpern 24 ₁, 24 ₂ zurück. Am Massenkörper 25 ist eine Ausnehmung 27 erkennbar. Auf gleichem Umfang sitzt am Massenkör per 24 ₂ ein Anschlag 28. Die beiden Endpositionen sind in den Figuren a1, b1 bzw. a2, b2 dargestellt. In den Figuren a1, b1 (erste Position) liegt der Massenschwerpunkt M₂₅ im Verhältnis zu den Massenschwerpunkten M24₁, M24₂ in der dargestellten Längs schnittebene auf entgegensetzten Seiten im Verhältnis zur Längsachse L. In den Figuren a2, b2 (zweite Position) ist der Massenschwerpunkt M₂₅ in der dargestellten Längsschnittebene, jedoch auf der gleichen Seite im Verhältnis zur Längsachse wie die Massenschwerpunkte M_{24 1}, M_{24 2}.

In Fig. 3 ist ein Abschnitt eines Mantelrohres 31 eines Tiefen rüttlers gezeigt. Koaxial zur Längsachse L ist der Abschnitt einer Drehachse 33 angeordnet, die drehend gegenüber dem als fest anzunehmendes Mantelrohr 31 antreibbar ist. Es sind zwei Lager 39 ₁, 39 ₂ gezeigt, deren Abstützung gegenüber dem Mantelrohr nicht dargestellt ist. (!) Ein etwa halbscheibenförmiger erster Massenkörper 34 ist fest auf der Drehachse 33 angeordnet und läuft mit dieser um. Oberhalb des ersten Massenkörpers 34 liegt ein zweiter ebenfalls etwa halbscheibenförmiger Massenkörper 35, der über ein Lager 40 drehbar gegenüber der Drehachse 33 gehal ten ist. In den Figuren a, b1 liegt der Massenschwerpunkt M₃₄ des ersten Massenkörpers 34 und der Massenschwerpunkt M₃₅ des zweiten Massenkörpers 35 in einer gemeinsamen Radialebene, so daß die resultierende Unwuchtmasse relativ groß ist. In der Figur b2 ist der zweite Massenkörper 35 relativ zum ersten Massenkörper 34 um 90° verdreht, so daß die resultierende Unwuchtmasse näher an der Längsachse L liegt und geringer ist. Der zweite Massenkörper 35 wird durch im Prinzip angedeutete Drehfedermittel 41 in die deckungsgleiche Position mit dem ersten Massenkörper 34 nach Figur b1 gedrückt und unter dem Einfluß eines auf den Massenkör per 35 einwirkenden Fliehgewichtes 42, das in einer Führung 43 läuft, unter dem Einfluß von Fliehkräften bei erhöhter Drehzahl in die in Figur b2 gezeigte relativ zu diesem verdrehte Position gezogen.

In Fig. 4 ist der Abschnitt eines Mantelrohres 41 eines Tiefen rüttlers gezeigt, in dem konzentrisch zur Längsachse L eine drehend antreibbare Drehachse 43 liegt. Zwei erste Massenkörper 44 ₁, 44 ₂ in Form von Viertelkreisscheibensegmenten sind fest auf der Drehachse 43 angeordnet. Zwischen diesen liegt eine Zylin derkammer 42, in der zweite Massenkörper 45 ₁, 45 ₂ in Form von Viertelkreisscheibensegmenten unabhängig drehbar gegenüber der Drehachse 43 angeordnet sind, wobei sie Luftkammern 46 ₁, 46 ₂ zwischen sich einschließen. Jede der Luftkammern ist über eine Druckmediumleitung 47 ₁, 47 ₂ mit Druckmedium beaufschlagbar, so daß bei unterschiedlicher Einstellung des Druckniveaus die Grö ßen der Kammern 46 ₁, 46 ₂ relativ zueinander verändert werden können. Dementsprechend können die Massenschwerpunkte M_{45 1}, M_{45 2} der zweiten Massenkörper in Umfangslage verstellt und damit den Massenschwerpunkten M44₁, M44₂ der ersten Massenkörper angenähert bzw. von diesen entfernt werden, so daß im ersten Fall die ge samtwirksame Unwuchtmasse vergrößert und im zweiten Fall verrin gert werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Verdichten von Böden mittels eines Tiefen rüttlers, der von zumindest einer um eine vertikale Längs achse umlaufenden Unwuchtmasse erregt in den Boden abge senkt und aus diesem wieder gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Unwuchtmasse zur Veränderung der effekti ven Schlagkraft während des Absenkens und/oder des Ziehens verändert wird.

2. Verfahren zum Verdichten von Böden mittels eines Tiefen rüttlers, der von zumindest einer um eine vertikale Längs achse umlaufenden Unwuchtmasse erregt in den Boden abge senkt und aus diesem wieder gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Unwuchtmasse zur Veränderung der effekti ven Schlagkraft beim Übergang vom Absenken auf das Ziehen verändert wird.

3. Verfahren zum Verdichten von Böden mittels eines Tiefen rüttlers, der von zumindest einer um eine vertikale Längs achse umlaufenden Unwuchtmasse erregt in den Boden abge senkt und aus diesem wieder gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlauffrequenz der Unwuchtmasse zur Veränderung der effektiven Schlagkraft während des Absenkens und/oder des Ziehens verändert wird.

4. Verfahren zum Verdichten von Böden mittels eines Tiefen rüttlers, der von zumindest einer um eine vertikale Längs achse umlaufenden Unwuchtmasse erregt in den Boden abge senkt und aus diesem wieder gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlauffrequenz der Unwuchtmasse zur Veränderung der effektiven Schlagkraft bei der Umkehr vom Absenken zum Ziehen verändert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingweite beim Absenken in den Boden durch Ein stellen einer geringen Unwuchtmasse gering gehalten und beim Ziehen durch Einstellen einer größeren Unwuchtmasse erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagkraft beim Absenken in den Boden durch Ein stellen einer hohen Umlauffrequenz hoch gehalten und beim Ziehen durch Einstellen einer niedrigen Umlauffrequenz reduziert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Unwuchtmasse mit steigender Umlauffre quenz reduziert wird und mit sinkender Umlauffrequenz er höht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Unwuchtmasse durch Änderung der Umlauf richtung verändert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefenrüttler mit erhöhter Umlauffrequenz und redu zierter Größe der Unwuchtmasse in den Boden abgesenkt wird und mit geringerer Frequenz und erhöhter Unwuchtmasse aus dem Boden gezogen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlauffrequenz der Unwuchtmasse beim Ziehen des Tiefenrüttlers auf die Eigenfrequenz des Bodens eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefenrüttler schrittweise gezogen wird.

12. Tiefenrüttler zum Verdichten von Böden mit einem länglich bombenförmigen Gehäuse mit einer Längsachse und einer ko axial im Gehäuse gelagerten motorisch antreibbaren Dreh achse sowie einer mit der Drehachse umlaufenden Unwucht masse, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Verändern des radialen Abstandes des Schwer punktes der Unwuchtmasse von der Längsachse und ein dreh zahlveränderlicher Antrieb für die Drehachse vorgesehen sind.

13. Tiefenrüttler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein gegenüber der Drehachse verstellbar an geordneter Massenkörper vorgesehen ist.

14. Tiefenrüttler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Massenkörper exzentrisch zur Längsachse fest auf der Drehachse angeordnet und zumindest ein zweiter Massenkörper gegenüber der Drehachse in Umfangslage fest jedoch radial zu derselben verlagerbar angeordnet ist ( Fig. 1).

15. Tiefenrüttler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerpunkte der ersten und zweiten Massenkörper in einer gemeinsamen Ebene durch die Längsachse auf entgegen gesetzten Seiten der Längsachse liegen.

16. Tiefenrüttler nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine zweite Massenkörper unter Flieh krafteinfluß entgegen der Wirkung von Federmitteln radial nach außen verlagerbar ist.

17. Tiefenrüttler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Massenkörper exzentrisch fest an der Drehachse angeordnet ist und zumindest ein zweiter Massen körper relativ zu dieser im Drehsinn gegenüber der Dreh achse verstellbar ist (Fig. 2).

18. Tiefenrüttler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine zweite Massenkörper gegenüber der Drehachse zwischen zwei an dieser festen Anschlägen frei drehbar ist und ein drehrichtungsveränderlicher Antrieb für die Drehachse vorgesehen ist.

19. Tiefenrüttler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein erster Massenkörper exzentrisch fest an der Drehachse angeordnet ist, zumindest ein zweiter Massen körper relativ zu dieser im Drehsinn um die Drehachse ver stellbar ist und zumindest ein Fliehgewicht im wesentlichen radial zur Längsachse verlagerbar ist, der mit dem zweiten Massenkörper über flexible Koppelmittel verbunden ist ( Fig. 3).

20. Tiefenrüttler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Fliehgewicht radial zur Längsachse nach innen durch die Wirkung von Federmitteln beaufschlagt ist.

21. Tiefenrüttler nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel unmittelbar zwischen der Drehachse und dem zumindest einen zweiten Massenkörper wirksam sind.

22. Tiefenrüttler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß pneumatische oder hydraulische Stellmittel vorgesehen sind, die zwischen dem zumindest einen verstellbaren Mas senkörper und der Drehachse wirksam sind (Fig. 4).