DE202010017338U1 - Messvorrichtung zum Bestimmen vonBodenkennwerten - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Bestimmen von Bodenkennwerten als Parameter für Eigenschaften eines zu verdichtenden Bodens.
- Es sind Messverfahren und Messgeräte bekannt, mit deren Hilfe spezielle Bodenkennwerte, wie z. B. die Tragfähigkeit des Bodens oder dessen Elastizitätseigenschaften, erfasst werden können. Diese Messverfahren und -geräte können unabhängig von Verdichtungsmaschinen und -vorgängen eingesetzt werden. Es sind aber auch Verfahren und Geräte bekannt, die in Kombination mit Verdichtungsmaschinen zum Einsatz kommen.
- Besonders zweckmäßig sind Messverfahren, die die Bodenkennwerte durch Messung an der Oberfläche mit zerstörungsfreien Messverfahren ermitteln. Dadurch wird die Oberfläche und das Verdichtungsergebnis nicht beeinträchtigt.
- Als derartige Verfahren haben sich z. B. der statische Lastplattendruckversuch gemäß DIN 18134 oder der dynamische Lastplattendruckversuch (gemäß Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau TP BF-Stb, Teil B 8.3 (2003)) bewährt.
- Als Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung bodenabhängiger Parameter, die unmittelbar in Zusammenhang mit Verdichtungsmaschinen eingesetzt oder gar auf Verdichtungsmaschinen realisiert werden, sind weitere Systeme bekannt, z. B. aus
DE 27 10 811 C2 ,WO 95/10664 WO 98/17865 EP 1 164 223 A1 beschrieben. - Der Einsatz von konventionellen Messverfahren, wie z. B. dem statischen Lastplattendruckversuch, erfordert einen erheblichen Zusatzaufwand, da zusätzlich zu der Arbeit mit der Verdichtungsmaschine ein oder mehrere Messgeräte und ein entsprechend geschulter Bediener erforderlich ist. Darüber hinaus bedeutet der Einsatz eines derartigen Messverfahrens immer eine Unterbrechung des aktuellen Verdichtungsprozesses, da in der Regel nicht gleichzeitig gemessen und parallel dazu weiter verdichtet werden kann.
- Bei dem statischen Lastplattenversuch ist zudem ein schweres Widerlager mit einer Masse von mehr als z. B. 5 Tonnen erforderlich, welches auf Baustellen oft nur mit großem Aufwand bereitgestellt werden kann.
- Bei dem Verfahren des dynamischen Lastplattenversuches ist eine entsprechende Messvorrichtung, wie z. B. ein so genanntes Leichtes Fallgewichtsgerät (LFG) erforderlich.
- Zur Erzeugung repräsentativer Messergebnisse ist es erforderlich, dass das Bodenkontaktelement, über das die entsprechende Last in den zu messenden Boden eingebracht wird, einen möglichst gleichmäßigen, vollflächigen Kontakt mit der Bodenoberfläche hat. Zu diesem Zweck wird zur Vorbereitung von Lastplattendruckversuchen heute meist eine dünne Sandschicht auf der Messstelle verteilt. Dies erzeugt einen gewissen Aufwand und verlangt zudem von dem Bediener sowohl Sachkenntnis als auch Sorgfalt.
- Wenn ein zu einem Lastplattendruckversuch analoges Messverfahren, zum Beispiel mit einer Bodenverdichtungsvorrichtung (Vibrationsplatte, Stampfer, Bodenverdichtungswalze), durchgeführt werden soll, ist es zudem praktisch nicht möglich, die Aufstandsfläche des Bodenkontaktelements besonders vorzubereiten. Bei der Benutzung einer Bodenverdichtungsvorrichtung wird angestrebt, den Betrieb der Bodenverdichtungsvorrichtung kurzzeitig zu unterbrechen, um einen Messvorgang zur Bestimmung von einem oder mehreren Bodenkennwerten durchzuführen. Wenn jedoch die Aufstands- bzw. Kontaktfläche zwischen dem Bodenkontaktelement und dem zu messenden Boden ungleichmäßig ist, verändern sich die Flächenpressungswerte, sodass die schließlich bestimmten Messwerte kaum reproduzierbar bzw. vergleichbar sind.
- Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Boden an der Messstelle meistens nicht vollständig eben ist, sodass die Messfläche, also die Kontaktfläche zwischen dem Bodenkontaktelement und dem Boden, einen nur unvollständigen Bodenkontakt hat. Die lokale Flächenbelastung wird dadurch größer, wodurch ein zu niedriger Bodensteifigkeitswert ermittelt wird. Es ergeben sich streuende Messwerte.
- Wenn der Messvorgang mit Hilfe einer Bodenverdichtungsvorrichtung durchgeführt werden soll, besteht zudem das Problem, dass die oberflächennahen Schichten des Bodens bei der Überfahrt zur Bodenverdichtung wieder aufgelockert werden. Dieses Phänomen ist bei Walzen stärker und bei Rüttelplatten geringfügiger zu beobachten. Die oberflächennahe Schicht weist damit eine andere Steifigkeit auf als der Untergrund. Bei Messversuchen mit dem leichten Fallgewicht werden daher zunächst drei Stöße vor dem eigentlichen Messstoß ausgeführt, um die oberflächennahe Schicht wieder auszugleichen.
- Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zum Bestimmen eines Bodenkennwerts als Parameter für eine Bodeneigenschaft anzugeben, mit dem die Reproduzierbarkeit und damit die Messgenauigkeit verbessert werden kann.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Eine Messvorrichtung zum Bestimmen eines Bodenkennwerts für eine Bodeneigenschaft weist auf: ein Bodenkontaktelement, eine Horizontal-Schwingungseinrichtung zum Erzeugen einer oszillierenden Bewegung des Bodenkontaktelements in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene, um einen verbesserten Bodenkontakt des Bodenkontaktelements mit dem Boden zu erreichen, eine Bewegungserregungseinrichtung zum Erzeugen von wenigstens einer im Wesentlichen vertikalen Bewegung des Bodenkontaktelements, eine Bewegungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Bewegung des Bodenkontaktelements wenigstens in einem Zeitraum, in dem das Bodenkontaktelement durch die Bewegungserregungseinrichtung bewegt wird, und zum Erzeugen eines entsprechenden Bewegungssignals, sowie eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Bodenkennwerts aufgrund des Bewegungssignals.
- Es ist somit bei der Messvorrichtung vorgesehen, dass eine Horizontal-Schwingungseinrichtung zunächst eine oszillierende Bewegung des Bodenkontaktelements in Horizontalebene bzw. in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene durchführen kann. Dadurch ist es möglich, die Bodenoberfläche an der Messstelle für eine Bodensteife- oder Modulmessung einzuebnen, um einen guten flächigen Kontakt zwischen der Messoberfläche (Oberfläche des Bodens) und dem Messmittel (Bodenkontaktelement) zu erreichen und dabei den Bodensteifigkeitswert nur unwesentlich zu verändern. Durch die oszillierende Horizontalschwingung ”arbeitet” sich das Bodenkontaktelement etwas in die Bodenoberfläche ein, bis das Bodenkontaktelement relativ gleichmäßig auf den Boden aufsteht. Nachfolgend kann dann die eigentliche Messung durchgeführt werden, wobei verschiedene Messervorgänge zur Anwendung kommen können.
- Grundlage dieser Messvorgänge ist es, dass das Bodenkontaktelement, also z. B. die Bodenkontaktplatte bei einer Vibrationsplatte oder die Walzenbandage einer Vibrationswalze, eine bestimmte Bewegung, z. B. aufgrund eines Impulses oder einer Schwingungserregung oder auch aufgrund einer Resonanzschwingung, vollzieht, die erfasst und ausgewertet werden kann. Die Bewegung des Bodenkontaktelements wird dabei maßgeblich auch durch die Eigenschaften des Bodens mit beeinflusst, weil sich dieser in gutem, flächigem Kontakt mit dem Bodenkontaktelement befindet.
- Es ist nicht erforderlich, dass die horizontale Schwingung ausschließlich in einer exakten Horizontalebene liegt. Vielmehr genügt es, wenn die Schwingung im Wesentlichen in Horizontalebene liegt, also eine wesentliche Komponente der Schwingung horizontal gerichtet ist. Ein im Verhältnis zu der horizontalen Schwingung geringer Vertikalanteil ist dabei nicht störend.
- Die Bewegungserregungseinrichtung kann zum Erzeugen von einer im Wesentlichen vertikalen, sich periodisch ändernden Kraft auf das Bodenkontaktelement dienen, wobei dann die Bewegungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Bewegung des Bodenkontaktelements wenigstens in einem Zeitraum dient, in dem die sich periodisch ändernde Kraft auf das Bodenkontaktelement einwirkt, und daraufhin das entsprechende Bewegungssignal erzeugt.
- Die Bewegungserregungseinrichtung kann bei einer Variante eine Impulserzeugungseinrichtung zum Erzeugen von wenigstens einem im Wesentlichen vertikalen Impuls auf das Bodenkontaktelement sein, wobei die Bewegungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Bewegung des Bodenkontaktelements wenigstens in einem Zeitraum dient, in dem der Impuls auf das Bodenkontaktelement einwirkt, und zum Erzeugen des entsprechenden Bewegungssignals.
- Als Impulserzeugungseinrichtung eignet sich auch eine an sich bekannte Vorrichtung zum Durchführen eines Lastplattendruckversuchs. Das dort bekannte ”leichte Fallgewicht” ist geeignet, den für die Messung erforderlichen Impuls zu erzeugen.
- Mit Hilfe der Impulserzeugungseinrichtung kann zu einem passenden Zeitpunkt, z. B. auf Wunsch des Bedieners, ein Impuls erzeugt werden, der in das den Boden verdichtende Bodenkontaktelement eingeleitet wird. Der Impuls und die entsprechende Kraftwirkung auf das Bodenkontaktelement bewirkt eine Bewegung des Bodenkontaktelements, die – außer durch den Impuls selbst und das Bodenkontaktelement – durch die Eigenschaften des mit dem Bodenkontaktelement in Kontakt stehenden Bodens bestimmt wird. Da der Impuls sowie die Geometrie und die Masse des Bodenkontaktelements vorab bekannt sind, kann aufgrund des Bewegungsverhaltens des Bodenkontaktelements auf die dann noch verbleibende Unbekannte, nämlich die Bodeneigenschaft geschlossen werden. Dementsprechend kann die Auswerteeinrichtung einen geeigneten Bodenkennwert, z. B. den dynamischen Verformungsmodul, bestimmen, der dann in geeigneter Weise weiterverarbeitet, z. B. angezeigt oder gespeichert werden kann.
- Die Impulserzeugungseinrichtung ist zusätzlich zu dem Schwingungserreger vorgesehen und sollte dementsprechend auch unabhängig von dem Schwingungserreger betrieben werden, um Überlagerungseffekte zu vermeiden.
- Als Bewegungserfassungseinrichtung eignen sich z. B. Sensoren, die den Bewegungsweg, die Bewegungsgeschwindigkeit oder die Beschleunigung des Bodenkontaktelements erfassen. Die Bewegungserfassungseinrichtung kann dementsprechend unmittelbar auf dem Bodenkontaktelement, also z. B. auf der Oberseite einer Bodenkontaktplatte angeordnet sein. Ebenso sind auch berührungslose Bewegungserfassungseinrichtungen möglich, die z. B. an der Obermasse vorgesehen sind und durch Beobachten der Untermasse, d. h. insbesondere des Bodenkontaktelements, Informationen über das Bewegungsverhaltens des Bodenkontaktelements ermitteln.
- Durch die Impulserzeugungseinrichtung können wahlweise Impulse mit unterschiedlichen Kraft-Zeit-Verläufen erzeugbar sein. Dazu kann eine Impuls-Steuereinrichtung vorgesehen sein, zum Auswählen eines geeigneten Kraft-Zeit-Verlaufs und entsprechenden Ansteuern der Impulserzeugungseinrichtung. Dementsprechend können – z. B. für verschiedene Bodenmaterialien wie Sand, Lehm, Kies oder Asphalt – Impulse mit unterschiedlichen Kraft-Zeit-Verläufen vordefiniert sein, die entsprechend generiert werden können, So ist es möglich, dass der Bediener über die Impuls-Steuereinrichtung Informationen über den zu verdichtenden Boden vorab eingibt, so dass durch die Impuls-Steuereinrichtung ein Impuls mit geeignetem Kraft-Zeit-Verlauf ausgewählt wird.
- Es können mehrere Impulserzeugungseinirichtungen vorgesehen sein, durch die Impulse an unterschiedlichen Stellen in das Bodenkontaktelement einbringbar sind. Dadurch ist z. B. eine symmetrische Impulserzeugung wie z. B. links und rechts vom Schwingungserreger oder vorne und hinten, möglich. Die Impulserzeugungseinrichtungen können die Impulse gleichzeitig oder auch zeitlich versetzt generieren, um eine entsprechend gewünschte Kraftwirkung auf das Bodenkontaktelement zu erzielen.
- Die Impulserzeugungseinrichtung kann einen Impulsgenerator zum Erzeugen des Impulses und einen Impulsformer zum Verändern des von dem Impulsgenerator erzeugten Impulses hinsichtlich seines Kraft-Zeit-Verlaufs aufweisen.
- Als Impulsgenerator eignet sich z. B. ein Hydrauliksystem mit einem Hydraulikzylinder, der schlagartig einen Impuls bzw. Kraftstoff generiert. Dieser Impuls kann über den Impulsformer weiter an das Bodenkontaktelement geleitet werden, wobei der Impulsformer den Impuls so verändert, dass der gewünschte Kraft-Zeit-Verlauf erreicht wird. So kann es z. B. zweckmäßig sein, die Impulswirkung über einen möglichst großen Zeitraum zu erstrecken, um z. B. annähernd einen statischen Lastplattenversuch zu simulieren. Der Impulsformer kann geeignete Federn, Zwischenmassen und Umlenkungen aufweisen, um den von dem Impulsgenerator erzeugten Impuls in der gewünschten Weise zu verändern.
- Die Stoßdauer des Impulses der Impulserzeugungseinrichtung kann z. B. 17 ms ± 1,5 ms betragen, wie dies im Rahmen des dynamischen Lastplattenversuchs für das Leichte Fallgewichtsgerät LEG vorgegeben ist.
- Die Bewegung des Bodenkontaktelements kann in Form einer kinematischen Größe erfasst werden, wobei die kinematische Größe ausgewählt sein kann aus der Gruppe: Einsinkung des Bodenkontaktelements in den zu verdichtenden Boden, Einsinkgeschwindigkeit, Einsinkbeschleunigung. Darüber hinaus kann auch allgemein das Bewegungs- bzw. Schwingungsverhalten des Bodenkontaktelements erfasst werden, um Rückschlüsse auf das statische oder dynamische Verhalten des Bodens zu erhalten.
- Es kann eine Mess-Steuereinrichtung vorgesehen sein, mit einem Eingabeelement zum Starten eines Messzyklus durch einen Bediener zum Bestimmen des Bodenkennwerts für eine Bodeneigenschaft. Somit hat der Bediener die Möglichkeit, über das Eingabeelement einen Messzyklus zu beliebiger Zeit zu starten. Der Bediener kann demnach in üblicher Weise mit der Bodenverdichtungsvorrichtung einen Verdichtungsvorgang durchführen und bei Bedarf den Verdichtungsvorgang unterbrechen, um einen Messzyklus zu veranlassen. Nach Beendigung des Messzyklus kann der Bediener die Verdichtungsarbeit wieder aufnehmen.
- Die Mess-Steuereinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass bei Durchführen eines Messzyklus wenigstens eine der folgenden Maßnahmen bewirkbar ist:
- – Vermindern einer Fahrgeschwindigkeit der Bodenverdichtungsvorrichtung;
- – Vermindern einer Leistung des Antriebs;
- – Vermindern einer Schwingungswirkung des Schwingungserregers.
- Somit ermöglicht es die Mess-Steuereinrichtung, die Verdichtungsarbeit zu unterbrechen, indem z. B. die Fahrgeschwindigkeit der Bodenverdichtungsvorrichtung vermindert oder gar zu Null reduziert wird. Hierbei ist zu beachten, dass eine Vorwärtsbewegung der Bodenverdichtungsvorrichtung meist nur mit Hilfe von ausgeprägten Flugphasen möglich ist. Diese Flugphasen sollten für die Durchführung des Messzyklus vermieden werden. Dementsprechend ist es auch geeignet, die Leistung des Antriebs oder des Schwingungserregers zu reduzieren, um mögliche Störeinflüsse für die Messung des Bodenkennwerts zu eliminieren.
- Bei einer Ausführungsform kann die Mess-Steuereinrichtung derart ausgebildet sein, dass zu Beginn eines Messzyklus und vor Erzeugen eines Impulses durch die Impulserzeugungseinrichtung eine oszillierende Bewegung des Bodenkontaktelements bewirkt wird, um die Kontaktfläche zwischen dem Bodenkontaktelement und dem Boden zu vergrößern. Der Boden kann vorher bereits verdichtet worden sein, so dass dessen Bodenkennwert ermittelt werden soll. Mit Hilfe der oszillierenden Bewegung kann es möglich sein, eine verhältnismäßig gleichmäßige Kontaktfläche zwischen dem Bodenkontaktelement und dem Boden herzustellen und somit Messungenauigkeiten durch zu starke Abweichungen der Bodenkontaktfläche zu vermeiden.
- Die oszillierende Bewegung des Bodenkontaktelements in der Horizontalebene kann eine Bewegung sein, ausgewählt aus der Gruppe: lineare Hin- und Herbewegung, lineare Hin- und Herbewegungen in wenigstens zwei unterschiedliche, in der Horizontalebene liegende Richtungen, drehende Hin- und Herbewegung, Kombination aus linearer und drehender Hin- und Herbewegung.
- Das Bodenkontaktelement kann somit mit Hilfe der Horizontal-Schwingungseinrichtung eine horizontale Schiebebewegung über dem Boden ausführen. Diese Bewegung kann zum Beispiel linear, überkreuz oder auch drehend ausgeführt werden. Dadurch, dass das Bodenkontaktelement zur Vorbereitung der eigentlichen Messung auf diese Weise nur horizontal bewegt wird, werden die Bodeneigenschaften, auch im oberflächennahen Bereich, kaum verändert. Es kommt lediglich darauf an, den Bodenkontakt mit dem Bodenkontaktelement zu verbessern.
- Die Horizontal-Schwingungseinrichtung kann lösbar mit dem Bodenkontaktelement verbunden sein. In diesem Fall ist es möglich, die Horizontal-Schwingungseinrichtung nur dann an dem Bodenkontaktelement zu befestigen, wenn tatsächlich eine Messung vorbereitet werden soll. In einfacher Weise kann die Horizontal-Schwingungseinrichtung wieder entfernt werden, wenn keine Messung durchgeführt werden muss.
- Die Horizontal-Schwingungseinrichtung kann eine mit dem Bodenkontaktelement fest verbundene, um eine Vertikalachse relativ zu dem Bodenkontaktelement drehbare Unwuchtmasse aufweisen, sowie einen die Unwuchtmasse drehend antreibenden Antrieb. Mit Hilfe der um die Vertikalachse drehenden Unwuchtmasse ist es in einfacher Weise möglich, die gewünschte Horizontalschwingung zu erreichen. Dabei kann die Vertikalachse durch den Schwerpunkt des Bodenkontaktelements verlaufen oder auch außerhalb des Schwerpunkts angeordnet sein. Ohne weiteres ist es möglich, dass die Vertikalachse durch einen Bereich des Bodenkontaktelements außerhalb von dessen Mitte verläuft. Dadurch wird sowohl eine lineare als auch eine drehende oszillierende Bewegung des Bodenkontaktelements erreicht.
- Der Antrieb kann lösbar mit der Unwuchtmasse verbunden sein. So ist es möglich, dass die Unwuchtmasse auf dem Bodenkontaktelement verbleibt, während der Antrieb nur zur Vorbereitung des Messvorgangs aufgesetzt wird. Dies ermöglicht es, den Antrieb frei zu gestalten. So kann zum Beispiel der Antrieb der Unwuchtmasse durch eine Akkubohrmaschine o. ä. erfolgen.
- Die Horizontal-Schwingungseinrichtung kann auch als Schwingungserreger zum Erzeugen von im Wesentlichen vertikalen Schwingungen oder von Schwingungen mit horizontalen und vertikalen Schwingungskomponenten ausgebildet sein. In diesem Fall ist also die Schwingungseinrichtung in der Lage, vertikale Schwingungen zu erzeugen, die insbesondere auch zur Bodenverdichtung genutzt werden können. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass der Schwingungserreger ein Schwingungserreger einer Bodenverdichtungseinrichtung sein kann, der zudem auch als Horizontal-Schwingungseinrichtung der hier beschriebenen Messvorrichtung genutzt werden kann.
- Dementsprechend kann die Messvorrichtung als Teil einer Bodenverdichtungsvorrichtung ausgebildet sein. Als Bodenverdichtungsvorrichtungen eignen sich z. B. Vibrationsplatten, Vibrationswalzen, geschleppte Verdichter oder Stampfer.
- Bei einer Ausgestaltung dieser Variante kann das Bodenkontaktelement in der Bodenverdichtungsvorrichtung als Element zum Verdichten des Bodens nutzbar sein, wobei die Horizontal-Schwingungseinrichtung in der Bodenverdichtungsvorrichtung als Schwingungserreger zum Erzeugen einer Schwingung mit vertikal gerichteten Schwingungskomponenten ausgebildet ist, zum Beaufschlagen des Bodenkontaktelements mit dieser Schwingung. Damit ist es zum Beispiel bei Rüttelwalzen, Rüttelplatten oder Stampfern möglich, den im Wesentlichen zum Erzeugen von Schwingungen mit Vertikalkomponenten vorgesehenen Schwingungserreger auch auf eine rein horizontale Schwingbewegung umzustellen. Dadurch wird eine schiebende Hin- und Herbewegung des Bodenkontaktelements erzeugt, die den Boden einebnet und so eine definierte Auflagefläche für das Bodenkontaktelement auf dem zu messenden Boden bewirkt.
- Schwingungserreger, die sowohl Schwingungen in Horizontalrichtung als auch in Vertikalrichtung erzeugen, können in u. a. in Form von so genannten Zwei-Wellen-Erreger realisiert werden, bei denen zwei gegenläufig zueinander formschlüssig drehbare Unwuchtwellen hinsichtlich ihrer Phasenlage derart einzustellen sind, dass als resultierende Kraftwirkung nur noch eine Schwingung in Horizontalrichtung wirkt. Die Vertikalkomponenten der einzelnen rotierenden Unwuchtwellen sollen sich dann kompensieren. Ein entsprechender Schwingungserreger ist in der
EP 1 570 130 A1 angegeben. - Eine Bodenverdichtungsvorrichtung, mit einer einen Antrieb aufweisenden Obermasse und mit einer ein Bodenkontaktelement und einen durch den Antrieb antreibbaren Schwingungserreger aufweisenden Untermasse, die mit der Obermasse über eine Federeinrichtung gekoppelt ist, ist gekennzeichnet durch eine zusätzlich zu dem Schwingungserreger vorgesehene Impulserzeugungseinrichtung zum Erzeugen wenigstens eines Impulses auf das Bodenkontaktelement, eine Bewegungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Bewegung des Bodenkontaktelements wenigstens in einem Zeitraum, in dem der Impuls auf das Bodenkontaktelement einwirkt und zum Erzeugen eines entsprechenden Bewegungssignals, und durch eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen eines Bodenkennwerts für eine Bodeneigenschaft aufgrund des Bewegungssignals.
- Somit wird eine Bodenverdichtungsvorrichtung angegeben, die mit einer Messvorrichtung ausgestattet ist, wobei die Messvorrichtung die Impulserzeugungseinrichtung, die Bewegungserfassungseinrichtung und die Auswerteeinrichtung aufweist.
- Bei einer derartigen Bodenverdichtungsvorrichtung kann es sich um eine Vibrations- oder Rüttelplatte, einen Stampfer oder eine Bodenverdichtungswalze handeln. Derartige Geräte können auch als Anbaugeräte ausgeführt sein.
- Es kann eine Dokumentationseinrichtung vorgesehen sein, durch die wenigstens eine der folgenden Maßnahmen bewirkbar ist:
- – Anzeigen eines durch die Auswerteeinrichtung bestimmten aktuellen Bodenkennwerts;
- – Anzeigen einer Handlungsanweisung für den Bediener in Abhängigkeit von dem aktuellen Bodenkennwert und einem Soll-Bodenkennwert;
- – Speichern des Bodenkennwerts in einer Speichereinrichtung;
- – Erfassen der aktuellen Position der Bodenverdichtungsvorrichtung mit einer Positionserfassungseinrichtung und Speichern eines Bodenkennwerts zusammen mit Positionsdaten der Position, an der der Bodenkennwert bestimmt wurde.
- Mit Hilfe der Dokumentationseinrichtung ist es somit möglich, den jeweils aktuellen Bodenkennwert anzugeben und auf diese Weise dem Bediener zu vermitteln. Alternativ oder ergänzend können dem Bediener auch Handlungsanweisungen gegeben werden, z. B. in der Art, dass der Boden bereits ausreichend verdichtet wurde oder nochmals mit der Bodenverdichtungsvorrichtung überfahren werden muss. Diese Handlungsanweisung kann beispielsweise auch in Form von einfachen Leuchtdioden realisiert werden (z. B. grün: ausreichende Verdichtung, rot: Verdichtung nicht genügend).
- Das Speichern des Bodenkennwerts kann insbesondere auch für die Führung späterer Qualitätsnachweise genutzt werden. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass Bauunternehmen zunehmend belegen müssen, dass Verdichtungsarbeiten zur Erfüllung vorgegebner Normen in ausreichendem Maße durchgeführt wurden.
- Das Speichern der Bodenkennwerte kann dadurch verfeinert werden, dass jeweils auch die zugehörige Position der Bodenverdichtungsvorrichtung, an der der jeweilige Bodenkennwert gemessen wurde, ebenfalls mit abgespeichert wird.
- Bei einer Ausführungsform sind in der Auswerteeinrichtung vorgegeben Parameter aus einem vorgegebenen Messverfahren für die Bestimmung von Bodenkennwerten hinterlegt. Die Parameter können wenigstens Werte für die Bewegung eines bei dem vorgegebenen Messverfahren eingesetzten Bodenkontaktelements sowie diesen Werten zugeordnete, durch das Messverfahren vorab ermittelte Bodenkennwerte umfassen. Durch die Auswerteeinrichtung ist dann ein Korrelierverfahren durchführbar, bei dem das aktuelle Bewegungssignal mit den vorgegebenen Parametern abgleichbar ist, um aus dem Bewegungssignal den zugehörigen aktuellen Bodenkennwert zu bestimmen.
- Diese Ausführungsform beruht auf dem Grundgedanken, dass zunächst losgelöst von der Bodenverdichtungsvorrichtung mit Hilfe eines ”klassischen”, also durch einschlägige Normen anerkannten und definierten Messverfahrens einerseits Bodenkennwerte und andererseits zugehörige Parameter hinsichtlich der Bewegung des bei dem Messverfahren eingesetzten Bodenkontaktelements ermittelt werden. Z. B. können im Rahmen des dynamischen Lastplattenversuchs mit Hilfe des Leichten Fallgewichtsgeräts LFG sowohl die Bodenkennwerte als auch die Bewegungswerte des bei dem LFG genutzten Bodenkontaktelements bestimmt werden. Durch Hinterlegung eines entsprechenden Korrelierverfahrens können dann diese z. B. in Tabellenform vorliegenden Werte auf die Bewegungswerte eines Bodenkontaktelements bei einer erfindungsgemäßen Bodenverdichtungsvorrichtung, also z. B. einer Vibrationsplatte oder einem Stampfgerät übertragen werden.
- Umgekehrt bedeutet dies, dass bei einer derartigen Bodenverdichtungsvorrichtung die Bewegungswerte des Bodenkontaktelements erfasst werden und auf die Bewegungswerte z. B. des LFG übertragbar sind. Die vorab mit Hilfe des genormten dynamischen Lastplattenversuchs ermittelten Bodenkennwerte können dann analog auf die Bodenverdichtungsvorrichtung übertragen werden, so dass durch die Messung des Bewegungsverhaltens des Bodenkontaktelements der Bodenverdichtungsvorrichtung auf den jeweils aktuellen Bodenkennwert rückgeschlossen werden kann.
- Ein Messverfahren zum Bestimmen eines Bodenkennwerts für eine Bodeneigenschaft weist die Schritte auf:
- – Aufsetzen eines Bodenkontaktelements auf den Boden an einer Stelle, an der wenigstens der Bodenkennwert bestimmt werden soll;
- – Erzeugen einer horizontalen Schwingung des Bodenkontaktelements, um den Kontakt zwischen dem Bodenkontaktelement und dem Boden zu verbessern;
- – nach Beendigen der horizontalen Schwingung Durchführen eines vorgegebenen Messvorgangs zum Bestimmen des Bodenkennwerts.
- Das Aufsetzen des Bodenkontaktelements auf den Boden kann insbesondere auch durch Überfahren des Bodens durch das Bodenkontaktelement erfolgen. Vor dem Erzeugen der horizontalen Schwingung sollte aber der Aufsetzvorgang abgeschlossen sein, so dass sich das Bodenkontaktelement an der vorgesehen Stelle befindet, an der es sich durch die horizontale Schwingung in den Boden ”einrütteln” soll.
- Somit ist vorgesehen, das Bodenkontaktelement zunächst mit horizontalen Schwingungen zu beaufschlagen, um den Kontakt mit dem zu messenden Boden zu verbessern. Nachfolgend werden die horizontalen Schwingungen eingestellt, um dann den eigentlichen Messvorgang – bei gutem Bodenkontakt – durchführen zu können.
- Als eigentlicher Messvorgang eignet sich zum Beispiel der dynamische Lastplattenversuch. Ebenso ist es auch möglich, mit Hilfe einer Impulserzeugungseinrichtung einen Impuls auf das Bodenkontaktelement auszuüben und daraufhin die Bewegung des Bodenkontaktelements zu erfassen und auszuwerten.
- Weiterhin kann das angegebene Verfahren auch dazu genutzt werden, den Bodenkontakt eines Bodenkontaktelements, z. B. einer Walzenbandage einer Vibrationswalze oder einer Untermasse einer Rüttelplatte, zu verbessern, welches beim anschließenden Messvorgang für eine Resonanzmessung genutzt wird, wie sie in der
WO 2005/028755 - Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Beispiels unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
-
1 eine Bodenverdichtungsvorrichtung mit Messvorrichtung in schematischer Seitenansicht; -
2 eine Messvorrichtung in schematischer Seitenansicht. - In
1 ist eine Bodenverdichtungsvorrichtung in Form einer Vibrationsplatte gezeigt. Die Vibrationsplatte weist eine Obermasse1 und eine Untermasse2 auf und ist über einen zu verdichtenden Boden3 verfahrbar. - Die Obermasse
1 weist im Wesentlichen einen Antrieb4 und eine Deichsel5 auf, während der Untermasse2 im Wesentlichen ein Bodenkontaktelement6 , z. B. eine Bodenkontaktplatte, und ein Schwingungserreger7 in bekannter Weise zugeordnet ist. Zwischen der Obermasse1 und der Untermasse2 sind Federeinrichtungen8 , z. B. Gummipuffer vorgesehen, die eine Relativbeweglichkeit zwischen der Obermasse1 und der Untermasse2 ermöglichen. - Ein derartiger Aufbau ist in vielfältiger Weise bekannt.
- Anstelle einer Vibrationsplatte kann das erfindungsgemäße Messverfahren auch z. B. bei einer Vibrationswalze mit einem trommelförmigen Bodenkontaktelement oder bei einem Stampfer genutzt werden.
- An der Obermasse
1 ist eine Impulserzeugungseinrichtung9 vorgesehen. Die Impulserzeugungseinrichtung9 weist einen Stößel10 auf, der gegen das Bodenkontaktelement6 geschlagen werden kann, um einen Impuls in das Bodenkontaktelement6 einzuleiten. So kann die Impulserzeugungseinrichtung9 einen Hydraulikzylinder oder ein elektromagnetisches oder pneumatisches Stellglied aufweisen, das den Stößel10 in geeigneter Weise beaufschlagt. - Zudem kann in der Impulserzeugungseinrichtung
9 zusätzlich zu einem Impulsgenerator ein Impulsformer vorgesehen sein, mit dessen Hilfe der Impuls einen vorgegebenen Kraft-Zeit-Verlauf erhält. So ist es für bestimmte Messverfahren vorgegeben, dass der Impuls eine gewisse Zeitdauer wirken muss. - So kann z. B. zwischen dem Impulsgenerator und dem Bodenkontaktelement
6 eine Feder angeordnet werden. Es sind aber auch Mehrmassenschwinger mit mehreren Federn und mehreren Zwischenmassen und/oder nachgiebigen Dämpfungsgliedern denkbar. Die Dämpfungsglieder können auch geregelt sein. Alternativ können auch aktive Stoßerzeuger ohne Energiespeicher verwendet werden. - Auf diese Weise können besondere Kraft-Zeit-Verläufe bzw. Stoßkurven erzeugt werden, z. B. Kraftverlaufskurven mit einem weitgehend flachen Plateau. Dieser Bereich kann bei ausreichender Zeitdauer die Messung mit einer statischen Lastplatte nachbilden.
- Auf dem Bodenkontaktelement
6 ist ein als Bewegungserfassungseinrichtung dienender Sensor11 angeordnet, mit dem die Bewegung des Bodenkontaktelements6 erfasst werden kann. Z. B. kann der Sensor11 die Beschleunigung, die Geschwindigkeit oder den Weg des Bodenkontaktelements6 erfassen und ein entsprechendes Bewegungssignal erzeugen. - An der Obermasse
1 ist eine Auswerteeinrichtung12 vorgesehen, die das von dem Sensor11 erzeugte Bewegungssignal auswertet und einen entsprechenden aktuellen Bodenkennwert für die Eigenschaften des Bodens3 ermittelt. - An der Deichsel
5 kann außer einem an sich bekannten Steuer- und Führungshandgriff13 ein Eingabeelement14 vorgesehen sein, über das der Bediener einen Messzyklus einleiten kann. - Alternativ kann die Vibrationsplatte auch ohne Deichsel
5 , aber mit einer Fernsteuerung in bekannter Weise ausgestattet sein. An einem Sender der Fernsteuerung sollte dann das Eingabeelement14 vorgesehen sein. - Wenn der Bediener z. B. das Eingabeelement
14 betätigt, wird die Leistung des Antriebs4 und die Schwingungswirkung des Schwingungserregers7 reduziert. Dabei kann es anzustreben sein, dass der Schwingungserreger7 nur noch sehr geringe bzw. überhaupt keine Schwingungen mehr erzeugt, um das nachfolgende Messverfahren nicht zu beeinträchtigen. - Anschließend wird über eine nicht gezeigte Mess-Steuereinrichtung die Impulserzeugungseinrichtung
9 angeregt, so dass der Stößel10 einen Impuls in das Bodenkontaktelement6 einleitet. Die sich darauf ergebende Bewegung des Bodenkontaktelements6 , die im Wesentlichen auch durch die Eigenschaften des darunter liegenden Bodens3 bestimmt wird, wird durch den Sensor11 erfasst und an die Auswerteeinrichtung12 gemeldet. - In der Auswerteeinrichtung
12 können die Bewegungswerte des Bodenkontaktelements6 mit vorhandenen Bewegungswerten korreliert werden, die z. B. vorab mit Hilfe eines vorgegebenen und durch Normen anerkannten Messverfahrens, wie z. B. des statischen Lastplattenversuchs oder des dynamischen Lastplattenversuchs, bestimmt wurden. Bei dem dynamischen Lastplattenversuch kommt z. B. das Leichte Fallgewichtsgerät LFG zum Einsatz, dessen Systemkomponenten (Abmessungen, Masse, Funktion) sowie die Versuchsdurchführung genau festgelegt ist. Bei den genormten Versuchen kann z. B. der dynamische Verformungsmodul des Bodens als ein typischer Bodenkennwert gemessen werden. - Aufgrund der vorab in der Auswerteeinrichtung
12 hinterlegten Werte des genormten Messverfahrens kann unter Nutzung eines geeigneten Korrelierverfahrens von der durch den Sensor11 erfassten Bewegung des Bodenkontaktelements6 auf die Eigenschaften des Bodens3 , z. B. auf dessen dynamischen Verformungsmodul, rückgeschlossen werden. - Nach Abschluss des Messzyklus kann der Verdichtungsbetrieb automatisch wieder aufgenommen werden.
- Die Unterbrechung des Verdichtungsbetriebs ist nur sehr kurzzeitig. Eine zusätzliche Messeinrichtung ist nicht erforderlich, so dass der Bediener den Verdichtungsvorgang nahezu ungestört durchführen kann.
- Zusätzlich kann optional auf dem Bodenkontaktelement
6 eine Horizontal-Schwingungseinrichtung15 vorgesehen sein, mit deren Hilfe eine im Wesentlichen horizontal gerichtete Schwingung in das Bodenkontaktelement6 eingeleitet werden kann. - Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die eigentliche Kontakt- bzw. Berührfläche zwischen dem Bodenkontaktelement
6 und dem darunter liegenden Boden3 aufgrund der taumelnden, stochastischen Bewegung des Bodenkontaktelements6 stark variieren kann. Je nach Bodenbeschaffenheit und insbesondere je nach Bodenunebenheiten kann die Kontaktfläche klein oder groß sein. Da die tatsächliche Kontaktfläche für die Bestimmung des Bodenkennwerts berücksichtigt werden muss, ist es anzustreben, jedenfalls bei der Durchführung des Messvorgangs (insbesondere beim Einleiten des Impulses) eine tatsächliche Kontaktfläche zu erreichen, die innerhalb von verhältnismäßig eng gesteckten Grenzen liegt. Je gleichmäßiger die Kontaktfläche während der verschiedenen Messvorgänge ist, desto präziser kann der jeweilige Bodenkennwert bestimmt werden. - Um eine Vergleichmäßigung der Kontaktfläche für den Messvorgang zu erreichen, wird daher zu Beginn des Messvorgangs, noch vor dem Erzeugen des Impulses die Horizontal-Schwingungseinrichtung
15 betrieben, die die gewünschte Horizontalschwingung erzeugt und dadurch ein Einreiben bzw. Einarbeiten des Bodenkontaktelements6 in den Boden3 bewirkt. - Die Horizontal-Schwingungseinrichtung
15 muss nur kurzzeitig, d. h. wenige Sekunden betrieben werden, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen. Danach kann die Horizontal-Schwingungseinrichtung15 wieder abgeschaltet werden. - Bei einer Variante ist der Schwingungserreger
7 in der Lage, neben den für die Bodenverdichtung relevanten Vertikal-Schwingungen bzw. Schwingungen mit Vertikal- und Horizontalanteilen auch reine Horizontalschwingungen zu erzeugen, so dass auch mit Hilfe des Schwingungserregers7 die gewünschte Vergleichmäßigung der Kontaktfläche erreicht werden kann. Die Horizontal-Schwingungseinrichtung15 ist dann nicht erforderlich. -
2 zeigt eine Ausführungsform als reine Messvorrichtung, also nicht in Kombination mit einer Bodenverdichtungsvorrichtung. - In diesem Fall ist auf dem Bodenkontaktelement
6 eine Impulserzeugungseinrichtung9 aufgebaut. Die Impulserzeugungseinrichtung9 ist in2 nur schematisch dargestellt und kann zum Beispiel mit einem sogenannten Leichten Fallgewicht (LFG)9a ausgestattet sein. Das Leichte Fallgewicht9a wird zu einem bestimmten Zeitpunkt gelöst und kann auf das Bodenkontaktelement6 aufschlagen. - Mit Hilfe eines als Bewegungserfassungseinrichtung dienenden Sensors
11 wird die Beschleunigung, die Geschwindigkeit und/oder der Weg des Bodenkontaktelements6 wenigstens während des Aufschlagens des Leichten Fallgewichts9a überwacht. Das Bewegungsverhalten des Badenkontaktelements6 liefert Rückschlüsse auf die Eigenschaften des darunter befindlichen Bodens3 , wie oben bereits ausführlich beschrieben. - Anstelle des Leichten Fallgewichts
9a kann die Impulserzeugungseinrichtung9 auch in anderer Weise ausgebildet sein und zum Beispiel einen Hydraulikzylinder oder ein elektromagnetisches oder pneumatisches Stellglied aufweisen, wie insbesondere oben anhand von1 beschrieben. - Auf dem Bodenkontaktelement
6 ist außerdem eine Horizontal-Schwingungseinrichtung15 angeordnet, mit der eine Horizontalschwingung generiert und in das Bodenkontaktelement6 eingeleitet werden kann. Dadurch kann die Kontaktfläche zwischen dem Bodenkontaktelement6 und dem Boden3 verbessert werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen, wie oben ebenfalls bereits beschrieben. - Bei einer nicht dargestellten weiteren Variante mit einem modifizierten Leichten Fallmessgerät kann ein Schwinggerät angekoppelt werden, das die horizontalen Schwingbewegungen ausführt. Zum Beispiel kann das Schwinggerät ein verhältnismäßig kleiner Außenrüttler sein, der üblicherweise zur Verdichtung von Beton in Betonschalungen eingesetzt wird. Zu diesem Zweck ist der Exzenter mit vertikaler Achse anzuordnen.
- Das Schwinggerät kann permanent an dem Bodenkontaktelement angebracht sein. Ebenso ist es aber auch möglich, das Schwinggerät nur zur Messvorbereitung anzubringen und danach wieder abzubauen.
- Ebenso ist es möglich, das Schwinggerät zu teilen, wobei der Exzenter (die Unwuchtmasse) permanent an dem Bodenkontaktelement verbleiben kann, während der Antriebsmotor, zum Beispiel eine Akkubohrmaschine, lediglich ansteckbar ist.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- EP 1164223 A1 [0005]
- EP 1570130 A1 [0043]
- WO 2005/028755 [0058]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- DIN 18134 [0004]
- Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau TP BF-Stb, Teil B 8.3 (2003) [0004]
Claims (10)
- Messvorrichtung zum Bestimmen eines Bodenkennwerts für eine Bodeneigenschaft, mit – einem Bodenkontaktelement (
6 ); – einer Horizontal-Schwingungseinrichtung (15 ) zum Erzeugen einer oszillierenden Bewegung des Bodenkontaktelements (6 ) in einer Horizontalebene, um einen verbesserten Bodenkontakt des Bodenkontaktelements (6 ) mit dem Boden zu erreichen; – einer Bewegungserregungseinrichtung zum Erzeugen von wenigstens einer im Wesentlichen vertikalen Bewegung des Bodenkontaktelements (6 ); – einer Bewegungserfassungseinrichtung (11 ) zum Erfassen der Bewegung des Bodenkontaktelements (6 ) wenigstens in einem Zeitraum, in dem das Bodenkontaktelement (6 ) durch die Bewegungserregungseinrichtung bewegt wird, und zum Erzeugen eines entsprechenden Bewegungssignals; und mit – einer Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Bodenkennwerts aufgrund des Bewegungssignals. - Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bewegungserregungseinrichtung eine Impulserzeugungseinrichtung (
9 ) zum Erzeugen von wenigstens einem im Wesentlichen vertikalen Impuls auf das Bodenkontaktelement (6 ) ist; – die Bewegungserfassungseinrichtung (11 ) zum Erfassen einer Bewegung des Bodenkontaktelements (6 ) wenigstens in einem Zeitraum dient, in dem der Impuls auf das Bodenkontaktelement (6 ) einwirkt, und zum Erzeugen des entsprechenden Bewegungssignals. - Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bewegungserregungseinrichtung zum Erzeugen von einer im Wesentlichen vertikalen, sich periodisch ändernden Kraft auf das Bodenkontaktelement (
6 ) dient; – die Bewegungserfassungseinrichtung (11 ) zum Erfassen einer Bewegung des Bodenkontaktelements (6 ) wenigstens in einem Zeitraum dient, in dem die sich periodisch ändernde Kraft auf das Bodenkontaktelement (6 ) einwirkt, und zum Erzeugen des entsprechenden Bewegungssignals. - Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Bewegung des Bodenkontaktelements (
6 ) in der Horizontalebene eine Bewegung ist, ausgewählt aus der Gruppe – lineare Hin- und Herbewegung, – lineare Hin- und Herbewegungen in wenigstens zwei unterschiedliche, in der Horizontalebene liegende Richtungen, – drehende Hin- und Herbewegung, – Kombination aus linearer und drehender Hin- und Herbewegung. - Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Horizontal-Schwingungseinrichtung (
15 ) lösbar mit dem Bodenkontaktelement (6 ) verbunden ist. - Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Horizontal-Schwingungseinrichtung (
15 ) aufweist – eine mit dem Bodenkontaktelement (6 ) fest verbundene, um eine Vertikalachse relativ zu dem Bodenkontaktelement drehbare Unwuchtmasse; – einen die Unwuchtmasse drehend antreibenden Antrieb. - Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb lösbar mit der Unwuchtmasse verbunden ist.
- Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Horizontal-Schwingungseinrichtung (
15 ) auch als Schwingungserreger zum Erzeugen von im Wesentlichen vertikalen Schwingungen oder von Schwingungen mit horizontalen und vertikalen Schwingungskomponenten ausgebildet ist. - Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung als Teil einer Bodenverdichtungsvorrichtung ausgebildet ist.
- Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Bodenkontaktelement (
6 ) in der Bodenverdichtungsvorrichtung als Element zur Verdichtung des Bodens nutzbar ist; – die Horizontal-Schwingungseinrichtung in der Bodenverdichtungsvorrichtung als Schwingungserreger zum Erzeugen einer Schwingung mit vertikal gerichteten Schwingungskomponenten ausgebildet ist, zum Beaufschlagen des Bodenkontaktelements (6 ) mit dieser Schwingung.
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