DE3234918C2

DE3234918C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Ausbilden von Sandpfählen zum Verfestigen von weichem Grund

Info

Publication number: DE3234918C2
Application number: DE3234918A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Takatsuki Osaka Kawakami; Hidehiko Matsubara Osaka Matsumoto; Toshiyuki Fujisawa Kanagawa Matsumoto; Masaru Toyonaka Osaka Shono; Tooru Abiko Chiba Tamura
Original assignee: Fudo Construction Co Ltd
Current assignee: Fudo Tetra Corp
Priority date: 1981-09-22
Filing date: 1982-09-21
Publication date: 1986-07-31
Also published as: MY8700355A; NL189868B; PH20304A; SE8205390D0; NL8203652A; KR860001923B1; FR2513283B1; MX154481A; GB2106960B; DK413282A; FR2513283A1; NL189868C; AU8812882A; BR8205533A; SE8205390L; NO823193L; IT1149086B; US4487524A; DE3234918A1; IT8249138A0

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Verfestigen von weichem Grund. In den Grund wird ein Rohr eingetrieben. In das Rohr wird Sand eingebracht. Das Rohr wird allmählich hochgezogen, während der Sand ausgetragen und verdichtet wird. Beim Ausbilden der Sandpfähle werden der Durchmesser und/oder die Festigkeit der Sandpfähle in Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit des zu verfestigenden Grundes geändert, um die Verfestigung des Grundes zu vergleichförmigen (Fig. 2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind aus der Zeitschrift »Tiefbau-Ingenieurbau-Straßenbau«, 1980, Seiten 678 bis 683, bekannt. Dabei erfolgen das Austragen und Verdichten des in das Rohr eingebrachten Sandes durch wiederholtes Auf- und Abbewegen des Rohres unter Ausbildung eines Sandpfahls, dessen

Durchmesser größer als der Rohrdurchmesser ist

Beim Verfestigen von weichem Grund durch Eintreiben von Sandpfählen wird die Festigkeit des Grundes in der Regel anhand der Ergebnisse von Bodenuntersuchungen geschätzt, die an einer Mehrzahl von Stellen in dem zu verfestigenden Bereich durchgeführt werden, und die Sollfestigkeit des Grundes sowie der erforderliche Durchmesser, die Teilung und andere Parameter der Sandpfähle werden anhand der geschätzten Festigkeit sowie des Gewichts, der Form und dergleichen des Bauwerks bestimmt, das auf dem Grund nach dessen Verfestigung errichtet werden soll. Konventionelle Verfestigungsarbeiten werden unter der Annahme durchgeführt daß die Sollfestigkeit erzielt werden kann, indem Sandpfähle entsprechend den vorbestimmten Parametern eingebracht werden. Wenn jedoch die Festigkeit des zu verfestigenden Grundes varriert, schwankt auch die Festigkeit des verfestigten Grundes entsprechend, weil es sich bei der geschätzten Festigkeit des Grundes, die für die Bemessung der Sandpfähle herangezogen wird, um einen Mittelwert handelt Infolgedessen hat der verfestigte Grund zwangsläufig eine variierende Festigkeit Dies stellt ein bei dem bekannten Verfahren noch zu lösendes Problem dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der bezeichneten Art und eine zum Durchführen desselben geeignete Vorrichtung zu schaffen, durch die weicher Grund auf wirkungsvolle Weise durch kontrollierten Sandaustrag verfestigt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 4 gelöst.

Während bei dem genannten Verfahren der Sandaustrag am unteren Ende des Rohres im einzelnen nicht überwacht werden kann, gestattet das erfindungsmäße Vorgehen ein kontrolliertes Einbringen des Sandes.

Die von dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil auf den Sand ausgeübte Eindringkraft F läßt sich durch die Gleichung

F= K- A-B-C

ausdrücken, wobei K eine Konstante, A der Durchmesser des Sandpfahls, B die Lagerungsdichte des Sandes des Sandpfahls und Cdie Festigkeit des Grundes ist.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird der Wert F als Maß zum Regeln der beim Ausbilden der Sandpfähle aufgebrachten Arbeit benutzt. Während des Betätigens des Sandaustrag- und Verdichtungsteils mittels eines hydraulischen Zylinders werden der Durchmesser und/oder die Lagerungsdichte des Sandes geändert, wobei die von dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil ausgeübte Eindringkraft gleich dem vorbestimmten Wert gehalten wird.

Wird in bekannter Weise um das untere Rohrende herum Wasser in Form von Strahlen ausgetragen, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zum Ändern des Durchmessers des Sandpfahls die Geschwindigkeit, mit der das Rohr hochgezogen wird, und/oder die Menge an Wasser eingestellt werden. Zum Ändern der Lagerungsdichte des Sandes kann zweckmäßig die Frequenz und/oder die Amplitude von dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil vermittelten Vibrationen eingestellt werden.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

Fig. IA eine graphische Darstellung der über der

Tiefe aufgetragenen Festigkeit des Grundes für ein bekanntes Verfahren,

Fig. IB eine entsprechende graphische Darstellung für das Verfahren nach der Erfindung,

Fig.2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 3 ein Blockschaltbild der vorliegend verwendeten Regelschaltung und

F i g. 4 eine graphische Darstellung, die erkennen läßt, wie ein Standardwert für die Eindringkraft F ermittelt wird.

In den F i g. 1A und 1B ist die Beziehung zwischen der Tiefe und der Festigkeit des Grundes für ein bekanntes Verfahren bzw. für das Verfahren nach der Erfindung dargestellt Dabei sind a die geschätzte Festigkeit des zu verfestigenden Grundes, b die Istfestigkeit des Grundes, c die Sollfestigkeit des verfestigten Grundes und d die istfestigkeit des verfestigten Grundes. Bei P ist ein in dem Grund ausgebildeter Sanpfahl veranschaulicht Wie zu erkennen ist, schwankt bei dem bekannten Verfahren mit festem Durchmesser des ausgebildeten Sandpfahls die Festigkeit des verfestigten Grundes erheblich in Abhängigkeit von der Istfestigkeit des zu verfestigenden Grundes. Demgegenüber stimmt bei dem Verfahren, bei welchem der Durchmesser des Sandpfahls entsprechend der Festigkeit des Grundes geändert wird, die Istfestigkeit des verfestigten Grundes mit dessen Sollfestigkeit im wesentlichen überein. Das bedeutet, daß mit dem vorliegenden Verfahren der Grund auf einen gleichförmigen Festigkeitswert verfestigt wird.

Entsprechend F i g. 2 wird eine Vorrichtung 1 benutzt, um einen verdichteten Sandpfahl P auszubilden. Die Vorrichtung 1 weist ein Rohr 2, ein kurzes Rohrstück 3, ein Sandaustrag- und Verdichtungsteil 4, einen hydraulisehen Zylinder 5 zum Bewegen des Teils 4 in lotrechter Richtung, einen Trichter 6 zum Einfüllen des Sandes in das Rohr 2, eine Antriebseinheit 7 zum Hineintreiben des Rohres 2 in den Grund, eine Preßluftzuleitung 8, ein Ventil 9 zum Verhindern des Entweichens von Preßluft aus dem Trichter, ein Ablaßventil 10, ein Drahtseil 11 zum Aufhängen des Rohrs 2, eine Winde 12, Fluidleitungen 13 und 14 sowie Wasserstrahldüsen 15 auf.

Um mittels der Vorrichtung 1 einen Sandpfahl in einem weichen Grund G auszubilden, wird zuerst das Rohr 2 mittels der Antriebseinheit 7 bis auf eine vorbestimmte Tiefe eingetrieben, wobei das Drahtseil 11 entsprechend nachgelassen wird. Das Hineintreiben des Rohrs 2 in den Grund wird mit Hilfe von Wasserstrahlen unterstützt, die über die Wasserstrahldüsen 15 in den Grund G gerichtet werden und/oder durch Betätigen sowohl des hydraulischen Zylinders 5 als auch durch Antriebseinheit 7.

Das Rohr 2 wird dann nach oben gezogen, während mittels des Sandaustrag- und Verdichtungsteils 4 Sand ausgetragen und verdichtet wird. Beim Hochziehen des Rohrs 2 wird ein Sandpfahl P allmählich in aufwärtsführender Richtung ausgebildet. Das Hochziehen des Rohrs wird für gewöhnlich mehrmals unterbrochen, um Sand nachzufüllen. Während der Ausbildung des Sandpfahls wird von der Preßluftleitung 8 aus Preßluft in das Rohr 2 eingeleitet, um für ein einwandfreies Austragen des Sandes zu sorgen.

Wird das vorliegende Verfahren mit in Abhängigkeit von der Beschaffenheit oder Festigkeit des zu verfestigenden Grundes geändertem Durchmesser des Sandpfahls durchgeführt, erhält der Sandpfahl in Tiefen, wo die Istfestigkeit des Grundes größer als die geschätzte Festigkeit ist einen kleineren als den normalen Durchmesser, während der Sandpfahl in Tiefen, wo die Festigkeit unter dem Schätzwert liegt der Sandpfahl mit einem größeren als dem normalen Durchmesser ausgebildet wird.

Der Sandpfahldurchmesser läßt sich ändern, indem entweder die Geschwindigkeit mit der das Rohr 2 hochgezogen wird, variiert wird, oder indem die Menge des Wassers eingestellt wird, das von den Wasserstrahldüsen 15 um das untere Ende des Rohres 2 herum ausgetragen wird, um den Grund innerhalb eines begrenzten Bereiches aufzuweichen.

Im Falle der Verfahrensvariante mit Änderung der Lagerungsdichte des Sandes in Abhängigkeit von Änderungen der Beschaffenheit oder Festigkeit des zu verfestigenden Grundes wird dem Sand eine geringere Lagerungsdichte als die normale Lagerungsdichte in Tiefen vermittelt, wo die Istfestigkeit des Grundes größer als die geschätzte Festigkeit ist Demgegenüber erhält der Sand eine größere als die normale Lagerungsdichte in Tiefen, wo die Istfestigkeit des Grundes kleiner als die geschätzte Festigkeit ist.

Die Lagerungsdichte des Sandes läßt sich durch Ändern der Frequenz und/oder der Amplitude der Vibrationen variieren, die dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil 4 vermittelt werden.

Die Schwankung der Beschaffenheit oder Festigkeit des zu verfestigenden Grundes läßt sich auf verschiedenartige Weise erfassen, beispielsweise mit Hilfe eines Dehnungs- oder Spannungsmessers oder einer Lastmeßdose, die an zweckentsprechender Stelle an dem Rohr 2 angebracht sind.

Die von dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil 4 aufgebrachte Eindringkraft F läßt sich beispielsweise in der unten erläuterten Weise aus dem Fluiddruck unmittelbar vor dem Ende des Abwärtshubes des Kolbens des hydraulischen Zylinders 5 bestimmen. Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 erzeugt ein in der Fluidleitung 14 des hydraulischen Zylinders 5 liegender Durchflußmengenmesser 16 Impulse, die proportional der Durchflußmenge je Zeiteinheit sind. Die Impulse werden mittels eines Integrators 18 über die Zeit integriert, um die Impulsanzahl zu bestimmen, die proportional dem Fluidvolumen ist, das über den Durchflußmengenmesser 16 während der Zeitspanne vom Beginn bis zum Ende des Abwärtshubes des Kolbens des Zylinders 5 geflossen ist. Das Impulssignal wird in eine Spannung umgewandelt, die einem Vergleicher 19 zugeführt wird.

Der Vergleicher 19 wird ferner mit einer an einem Einstellglied 20 voreingestellten Spannung beaufschlagt, die proportional dem Fluidvolumen ist, das der Kolben des Zylinders 5 für die Abwärtsbewegung bis unmittelbar vor dem Ende seines Abwärtshuhes benötigt. Der Vergleicher 19 vergleicht die vom Integrator 18 kommende Spannung mit der voreingestellten Spannung und gibt an eine Speicherschaltung 21 ein Signal ab, wenn diese beiden Spannungen einander gleich werden.

Der Fluiddruck in der Fluidleitung 13 wird einmal jede Minute mittels eines Drucksensors 17 ermittelt und in eine Spannung umgewandelt, die der Speicherschaltung 21 zugeführt wird. Die Speicherschaltung registriert die vom Drucksensor 17 kommende Spannung auf Grui.d des Signals vom Vergleicher 19 und übermittelt die registrierte Spannung an eine Rechenschaltung 22.

Die Rechenschaltung bestimmt die Eindringkraft Fan Hand der von der Speicherschaltung 21 kommenden

Spannung (die proportional dem Fluiddruck unmittelbar vor dem Ende des Abwärtshubs des Kolbens ist) und der effektiven Querschnittsfläche des Zylinders 5, die zuvor eingespeichert wurde. Der so erhaltene Wert F wird in einem Vergleicher 23 mit einem Wert Fo verglichen, der mittels eines Einstellgliedes 24 voreingestellt wurde.

Der voreingestellte Wert F wird wie folgt ermittelt: Weil die gleiche Lagerungsdichte des Sandes erhalten werden kann, wenn das Material und die bei der Ausbildung des Sandpfahles verwendeten Parameter die gleichen sind, läßt sich eine graphische Darstellung der in F i g. 4 dargestellten Art, welche die wechselseitige Beziehung zwischen dem Wert F₁ dem Sandpfahldurchmesser und der Festigkeit N des zu verfestigenden Grundes wiedergibt, an Hand der Ergebnisse von Vorversuchen aufstellen, die mit entsprechenden Sandpfählen für diesen Zweck durchgeführt werden. Unter Anwendung dieser graphischen Darstellung wird ein Wert Fo bestimmt, welcher der geschätzten Festigkeit No des Grundes und dem vorgesehenen Durchmesser des erforderlichen Sandpfahles (beispielsweise 700 mm in F i g. 4) entspricht Der voreingestellte Wert F kann in Abhängigkeit von der Tiefe geändert werden.

Bei den Messungen, die während der Vorversuche durchgeführt werden, läßt sich der Wert F in der oben erläuterten Weise messen; der Durchmesser des Sandpfahls wird auf konventionelle Weise mittels eines Tiefenmessers und eines Sandvolumenmessers (nicht veranschaulicht) bestimmt, die an dem Rohr 2 angebracht sind. Die Festigkeit des Grundes wird mit Hilfe eines gewöhnlichen Testers gemessen. Die Festigkeit kann auch unter Anwendung der Vorrichtung 1 ermittelt werden, obwohl dies vorliegend nicht im einzelnen erläutert ist

Der Vergleicher 23 vergleicht den ermittelten Wert F mit dem voreingestellten F-Wert (Fo). Falls eine Differenz vorliegt, gibt der Vergleicher ein Signal an eine Steuereinheit 25, die ein Regelsignal erzeugt, um einen den Pfahldurchmesser bestimmenden Parameter einzustellen, beispielsweise die Geschwindigkeit, mit der das Rohr 2 mittels der Winde 12 hochgezogen wird.

In Tiefen, wo die Istfestigkeit des Grundes größer als No ist, wird der ermittelte F-Wert den voreingestellten Wert Fo überschreiten, so daß, die Geschwindigkeit, mit der das Rohr mittels der Winde hochgezogen wird, vergrößert wird. Infolgedessen wird der Durchmesser des Sandpfahls kleiner als der Normalwert (beispielsweise 700 mm). In Tiefen, wo die Istfestigkeit des Grundes kleiner als No ist wird die Geschwindigkeit verkleinert, um den Durchmesser zu vergrößern.

Der Durchmesser läßt sich regulieren, indem mittels des von der Steuereinheit 23 kommenden Signals ein Ventil geöffnet wird, welches das Volumen des von den Wasserstrahldüsen 15 abgegebenen Wassers einstellt Bei der praktischen Herstellung von Sandpfählen, bei welcher der Wert Fauf einen konstanten Wert geregelt wird, wird ein gewisser Spielraum oberhalb und unterhalb des voreingestellten Wertes Fo zugelassen. Die Regelung wird für gewöhnlich derart ausgeführt daß der ermittelte F-Wert (Eindringkraft) zwischen den oberen und unteren Grenzwerten liegt

Während bei der oben erläuterten Ausführungsform der Durchmesser des Sandpfahls eingestellt wird, während die Lagerungsdichte des Sandes konstant bleibt läßt sich auch die Lagerungsdichte des Sandes bei festgehaltenem Sandpfahldurchmesser ändern. Es ist ferner möglich, sowohl den Durchmesser als auch die Lagerungsdichte des Sandes zu ändern, solange der F-Wert fest bleibt.

Wenn die Lagerungsdichte des Sandes bei festgehaltenem Sandpfahldurchmesser geändert werden soll, geschieht dies vorzugsweise durch Ändern der Frequenz und/oder der Amplitude der Vibrationen, die dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil 4 vermittelt werden. Die Lagerungsdichte läßt sich aber auch dadurch variieren, daß das Teil 4 während seiner Abwärtsbewegung intermittierend in feine Vibrationen versetzt wird. Vibrationen können dem Teil 4 einfach dadurch aufgedrückt werden, daß die Fluidzufuhr zu dem hydraulischen Zylinder 5 pulsierend erfolgt.

Wenn sowohl Sandpfahldurchmesser als auch die Lagerungsdichte des Sandes geändert werden sollen, kann dies dadurch geschehen, daß die Geschwindigkeit der Vertikalbewegung oder der Hublänge des Sandaustrag- und Verdichtungsteils 4 variiert werden; im übrigen kann auch in der vorstehend erläuterten Weise vorgegangen werden.

Zur Ausbildung der Sandpfähle kann auch ein Material verwendet werden, das sich wie Sand verhält, beispielsweise Kies, Gesteinsschutt oder Schlacke.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ausbilden von Sandpfählen zum Verfestigen von weichem Grund, bei dem ein Rohr in den Grund eingetrieben. Sand in das Rohr eingebracht und das Rohr allmählich hochgezogen wird, während der Sand mittels eines nahe dem unteren Ende des Rohres vorgesehenen, in lotrechter Richtung zwangsgetriebenen Sandaustrag- und Verdichtungsteils ausgetragen und verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ausbilden des Sandpfahls die Eindringkraft ermittelt wird, die von einem Kolben eines hydraulischen Zylinders des Sandaustrag- und Verdichtungsteils auf den Sand ausgeübt wird, und daß die Eindringkraft durch Ändern des .Sandpfahldurchmessers und/oder der Lagerungsdichte des Sands auf einen durch Vorversuche vorbestimmten Sollwert geregelt wird.

Z Verfahren nach Anspruch J₁ bei dem um das untere Rohrende herum Wasser in Form von Strahlen ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ändern des Durchmessers des Sandpfahls die Geschwindigkeit, mit der das Rohr hochgezogen wird, und/oder die Menge an Wasser eingestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ändern der Lagerungsdichte des Sandes die Frequenz und/oder die Amplitude von dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil vermittelten Vibrationen eingestellt werden.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem in den Grund eintreibbaren Rohr, über das in den Grund Sand eingebracht wird, einem am unteren Ende des Rohres angeordneten Sandaustrag- und Verdichtungsteil zum Austragen des Sandes aus dem Rohr und zum Verdichten des Sandes, gekennzeichnet durch einen hydraulischen Zylinder mit einem Kolben zum Bewegen des Sandaustrag- und Verdichtungsteils in lotrechter Richtung, eine Detektoreinrichtung (16, 18) zum Erfassen der Ausfahrstrecke des Kolbens durch Ermitteln der Durchflußmenge des dem hydraulischen Zylinder zugeführten Fluids, einen Sensor (17) zum Erfassen des Druckes des Fluids, wenn der Aufwärtshub des Kolbens einen vorbestimmten Wert erreicht hat, einen Vergleicher (23) zum Vergleichen der anhand des Fluiddruckes errechneten, von dem hydraulischen Zylinder (5) aufgebrachten Eindringkraft mit einem durch Vorversuche vorbestimmten Sollwert, und eine Einrichtung (25) zum Ändern des Sandpfahldurchmessers und/oder der Lagerungsdichte des Sands entsprechend dem Vergleichsergebnis.

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