DE3612437A1 - Verfahren zur herstellung von betonsaeulen im boden und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von insbesondere unbewehrten Betonsäulen im Boden, bei dem mit einem einen Rüttelantrieb aufweisenden Vortriebswerk­ zeug ein Hohlraum hergestellt und anschließend mit Beton verfüllt wird.

Aus der DE-PS 22 60 473 ist ein derartiges Verfahren be­ kannt, bei dem der Hohlraum mit Hilfe von Tiefenrüttlern hergestellt wird, wobei beim Niederbringen zwischen dem zu verdrängenden Boden und dem Tiefenrüttler durch Ein­ blasen von Preßluft ein unter Überdruck stehender Raum aufrechterhalten wird, in den beim Ziehen des Tiefen­ rüttlers durch eine Förderpumpe Beton eingefüllt wird. Dieses bekannte Verfahren ist verhältnismäßig aufwendig, da zwischen dem Boden und dem Tiefenrüttler ein Ring­ spalt entsteht, so daß eine verhältnismäßig große Luft­ menge eingeblasen werden muß, um den erforderlichen Überdruck aufrechtzuerhalten. Da der Überdruck beim Ein­ füllen des Betons nicht bestehen bleibt, kann es weiterhin bei diesem bekannten Verfahren zu Einschlüssen von Boden­ material in der Betonsäule kommen, das sich beim Ziehen von der Bohrungswand löst, so daß die angestrebte Festig­ keit und Tragfähigkeit der Betonsäule nicht erreicht wird.

Auch ist bei dem bekannten Verfahren keine Möglichkeit auf­ gezeigt, wie der eingefüllte Beton auf einfache Weise ver­ dichtet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit einem geringen Geräteaufwand durchführbar ist und bei dem es nicht zu Ein­ schlüssen von Bodenmaterial in den Betonsäulen kommen kann. Weiterhin ist das Ziel der Erfindung, eine Verdichtung des eingefüllten Betons zu erreichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Vortriebswerkzeug mittels eines Vertikalrüttlers bis auf Solltiefe in den Boden eingerüttelt wird und daß an­ schließend der Beton mit einem solchen Druck unter den Verdrängungskopf des Vortriebswerkzeugs gepreßt wird, daß die Aushubkraft zum Ziehen des Vortriebswerkzeugs ganz oder bei ungünstigen Bodenfestigkeiten wenigstens teilweise durch den Druck des eingepreßten Betons erzeugt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch besondere Einfachheit und Zuverlässigkeit aus. Beim Niederbringen des Vortriebswerkzeugs mit Hilfe eines Vertikalrüttlers bleibt das Bodenmaterial in dichter Anlage an den Mantel­ flächen des Vortriebswerkzeugs und wird selbst bei unge­ nügender Eigenfestigkeit durch das Vortriebswerkzeug ge­ stützt. Beim anschließenden Einpressen des Betons unter den Verdrängungskopf des Vortriebswerkzeugs wird das Vor­ triebswerkzeug gewissermaßen hydraulisch angehoben, so daß ständig ein ausreichender Stützdruck vorhanden ist, durch den das Bodenmaterial daran gehindert wird, in den unter dem Vortriebswerkzeug freiwerdenden Hohlraum einzudringen. Zusätzlich bewirkt der Einpreßdruck eine gute Verdichtung des Betons und gegebenenfalls auch der benachbarten Boden­ bereiche, wobei Bodenhohlräume in der Grenzschicht eben­ falls mit Beton verfüllt werden. Auf diese Weise wird eine gute Verzahnung der Betonsäule im Boden und eine Boden­ verdichtung erreicht. Es ist somit eine gute Tragfähig­ keit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestell­ ten Betonsäulen gewährleistet.

Der Druck, mit dem der Beton eingepreßt wird, beträgt vorzugsweise 5-6 bar. Dieser Druck gewährleistet die Kontinuität der Betonsäule und bewirkt außerdem, daß sich der Beton in lockere Bodenschichten hineindrückt und mit der Wandung optimal verzahnt. Beim Erreichen der obersten 1-2 m unterhalb der Oberfläche des Bodens erfolgt erfindungsgemäß ein Absenken des Förderdrucks des Betons, damit der Beton sich nicht an dem Vortriebs­ werkzeug vorbei seitlich hochdrücken kann. Das Ausheben des Vortriebswerkzeugs muß dann in größerem Maße durch die Hubkraft eines Hebezeugs bewirkt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geht von der aus der DE-PS 22 60 473 bekannten Vorrichtung aus, die aus einem Tiefenrüttler besteht, an dessen unterem Ende ein glockenartiger, zylindrischer Vor­ triebskopf mit nach unten gerichteter Öffnung angeordnet ist, wobei dem oberen Ende des Tiefenrüttlers eine Luft­ schleuse mit Preßluftanschluß zugeordnet ist, die mit dem lnnenraum des Vortriebskopfes durch eine Materialzuführung verbunden ist. Die Materialzuführung ist dabei als außer­ halb des Tiefenrüttlers und parallel zu diesem geführte Rohrleitung ausgebildet. Über die Luftschleuse wird beim Absenken des Tiefenrüttlers Druckluft zugeführt und auf diese Weise verhindert, daß in die Rohrleitung der Material­ zuführung Bodenmaterial eindringen und die Rohrleitung verstopfen kann. Zur Herstellung von Betonsäulen wird die Einfüll- und Luftschleuse durch eine Betonförderpumpe er­ setzt, die an die Materialzuführung angeschlossen wird, durch die der Beton zum Vortriebskopf geleitet wird. Diese bekannte Vorrichtung hat neben einem erheblichen Bauauf­ wand den Nachteil, daß bedingt durch die Arbeitsweise des Tiefenrüttlers als Horizontalschwinger zwischen der Mantel­ fläche des Tiefenrüttlers und der Wand des Bohrlochs ein Luftspalt entsteht, der eine ausreichende Abdichtung des zu verfüllenden Hohlraums unterhalb des Vortriebskopfes nach außen verhindert. Es ist daher nicht möglich, den Beton mit Überdruck in das Bohrloch einzupressen, weil er sonst über den Spalt zwischen Bohrloch und Tiefenrüttler nach oben entweicht. Eine Druckverdichtung des eingefüllten Betons ist daher nicht möglich.

Mit der Erfindung soll demgegenüber eine Vorrichtung der angegebenen Art geschaffen werden, die einfach zu handhaben ist und die das Einpressen des Betons in die Pfahlbohrung mit Überdruck ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Vortriebswerkzeug aus einem Vortreibrohr besteht, das an seinem unteren Ende durch einen Vortriebskopf verschlossen ist und dessen oberes Ende eine vertikal schwingende Außen­ vibrationsramme trägt und daß im Vortreibrohr ein Beton­ förderrohr angeordnet ist, dessen Mündung in dem Vortriebs­ kopf liegt und durch eine verlorene Kappe verschließbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß das beim Einrütteln erzeugte Bohrloch in seinem Durchmesser nicht größer ist als das Vortreibrohr. Das Erdreich liegt somit genügend dicht an der Mantelfläche des Vortreibrohres an und ermöglicht das Einpressen des Betons in den unter dem Vortriebskopf beim Anheben der Vorrichtung entstehenden Hohlraum mit einem solchen Überdruck, daß die Vorrichtung durch den eingepreßten Beton angehoben wird. Auf diese Weise lassen sich die oben angegebenen Verfahrensvorteile mit einfachen Mitteln erreichen. Der Verlauf des Betonförder­ rohrs im Inneren des Vortreibrohrs sorgt ebenfalls für eine gute Abdichtung des Vortreibrohrs im Boden, da hierdurch Unterbrechungen in der Mantelfläche des Vortreibrohrs ver­ mieden sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat weiterhin den Vorteil, daß der Querschnitt des Vortreibrohrs und die Rüttelleistung der Außenvibrationsramme je nach Bodenbe­ schaffenheit und Belastung der Betonsäule variierbar sind. Dadurch wird eine besonders wirtschaftliche Ausführung der Gründungsarbeiten ermöglicht. Günstig ist auch, daß die Betriebsfrequenz der Außenvibrationsramme so gewählt werden kann, daß es nicht zur Resonanz mit Gebäudeeigenschwingungen kommt. Die erfindungsgemäße Pfahlgründung läßt sich daher auch in unmittelbarer Nachbarschaft von vorhandenen Gebäuden anwenden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an das obere Ende des Vortreibrohres eine Flanschanschlußplatte zur Befestigung der Außenvibrationsramme angeschweißt, wobei das Betonförderrohr unterhalb der Flanschanschlußplatte durch die Wand des Vortreibrohrs nach außen geführt und dort mit einem Anschlußstutzen versehen ist.

Der Vortreibskopf ist erfindungsgemäß vorteilhaft als Kegel­ spitze ausgebildet, um eine Verdichtung des Bodens im Bereich des Bohrlochs zu fördern. Der Kegelfußwinkel der Kegelspitze beträgt hierbei vorzugsweise etwa 60 Grad. Um eine Abwei­ chung der erfindungsgemäßen Vorrichtung von der Sollachse beim Einrütteln zu verhindern, kann erfindungsgemäß ein auf den Boden auflegbarer, ringförmiger Führungsblock vorge­ sehen sein, in dessen Mittelöffnung das Vortreibrohr ge­ führt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt im Längsschnitt ein Vortriebswerkzeug 1, das mit seinem unteren Ende um einen geringen Betrag in den Boden 2 eingedrungen ist. Das Vortriebswerkzeug 2 besteht aus einem äußeren Vortreibrohr Rohr 3 aus Stahl, das an seinem unteren Ende durch eine ebenfalls aus Stahl herge­ stellte Kegelspitze verschlossen ist. Das Vortreibrohr 3 und die Kegelspitze 4 sind durch Schweißen miteinander ver­ bunden. An das obere Ende des Vortreibrohres 3 ist eine Flanschplatte 5 angeschweißt, die mit einer vertikal schwingenden Außenvibrationsramme 6 verschraubt ist.

Durch die Mittelachse des Vortreibrohres 3 führt ein Betonförderrohr 7, dessen unteres Ende die Kegelspitze 4 zentral durchdringt und unterhalb der Kegelspitze 4 in einer Mündung endet, die durch eine von außen aufgesetzte und lose mit Teerstrick eingedichtete Kappe 8 aus Stahl verschlossen ist. Das Betonförderrohr 7 ist unmittelbar unterhalb der Flanschplatte 5 durch einen Krümmer 9 recht­ winklig abgebogen und durch die Wand des Vortreibrohres 3 nach außen geführt, wo es durch eine Flanschverbindung 10 mit einem flexiblen Anschlußrohr 11 verbunden ist. An dem Vortreibrohr 3 und an der Kegelspitze 4 ist das Beton­ förderrohr 7 jeweils durch Schweißnähte befestigt.

Zur Herstellung einer Betonsäule im Boden wird das be­ schriebene Vortriebswerkzeug 1 über die Außenvibrations­ ramme 6 an einem Hebezeug, beispielsweise einem Kran oder Baggergerät senkrecht aufgehängt. An das Betonförderrohr 7 wird über das Anschlußrohr 11 eine Betonförderleitung an­ geschlossen, die zu einer Betonpumpe führt. Zur Festlegung des Sollmittelpunkts der Betonsäule und zur Vermeidung von Abweichungen von der Sollachse beim Einrütteln kann auf den Boden 2 ein Führungsblock 12 aufgelegt werden, der mit einer zentralen Öffnung eine lose Führung für das Vortriebswerk­ zeug 1 bildet. Der Führungsblock ist aus Stahlbarren zu­ sammengesetzt und sorgt durch sein verhältnismäßig großes Gewicht für eine ausreichende Bodenhaftung.

Entsprechend dem eingangs beschriebenen Herstellverfahren wird das Vortriebswerkzeug 1 mit seiner Kegelspitze 4 und der verschlossenen Mündung des Betonförderrohrs 7 in der Öffnung des Führungsblocks 12 auf den Boden 2 aufgesetzt und der Rüttelantrieb der Außenvibrationsramme 6 in Be­ trieb gesetzt. Gleichzeitig werden mit Hilfe des Hebezeugs die Außenvibrationsramme 6 und das Vortriebswerkzeug 1 langsam abgelassen. Die Kegelspitze 4 und das Vortreib­ rohr 3 dringen nun langsam in den Boden ein, wobei das Erdreich verdrängt und verdichtet wird. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis das Vortriebswerkzeug die vorgesehene Eindringtiefe von je nach Bodenbeschaffenheit bis zu 12 m und mehr erreicht hat oder bis trotz voller Rüttelleistung das Vortriebswerkzeug 1 im Boden zum Still­ stand kommt. Die erforderliche Eindringtiefe wird dabei zuvor durch Bodengutachten oder Probebohrungen ermittelt. Da tragfähige Bodenschichten stets eine größere Lagerungs­ dichte besitzen als die überlagernden Schichten, gibt auch die Eindringgeschwindigkeit des Vortriebswerkzeugs erste Anhaltspunkte für das Erreichen der erforderlichen Ein­ dringtiefe.

Ist die Solltiefe erreicht, so wird die Betonförderung zu­ geschaltet, wobei der Rüttelantrieb weiterläuft. Um die Mündung des Betonförderrohrs 7 zu öffnen, wird das Vor­ triebswerkzeug 1 mit dem Hebezeug zunächst etwas angehoben. Der mit einem Druck von etwa 5-6 bar zugeführte Beton kann nun die Kappe 8 von der Mündung des Betonförderrohrs 7 abheben und in den Hohlraum unterhalb der Kegelspitze 4 ein­ dringen. Dabei beaufschlagt der Beton mit seinem Druck die Kegelspitze 4 und ruft dadurch an der Kegelspitze 4 eine nach oben gerichtete Kraft hervor, durch die das Vortriebs­ werkzeug 1 angehoben wird. Der einströmende Beton drückt so­ mit praktisch das Vortriebswerkzeug 1 langsam hoch, indem er den unter dem Vortriebswerkzeug 1 freiwerdenden Hohlraum kontinuierlich vergrößert und ausfüllt. Das Bodenmaterial wird somit permanent, zunächst durch das Vortreibrohr 3 und anschließend durch den eingepreßten Beton gestützt, so daß es nicht einbrechen kann und ein kontinuierlicher Auf­ bau der Betonsäule gewährleistet ist. Weiterhin wird durch den Betonförderdruck erreicht, daß sich der Beton in lockere Bodenschichten hineindrückt und optimal mit der Wandung des Bohrlochs verzahnt. Das Hebezeug wird bei dem beschriebenen Vorgang so gesteuert, daß es das Vortriebs­ werkzeug senkrecht hält, ohne jedoch eine wesentliche Zugkraft auszuüben. Somit wird gewährleistet, daß das Anheben des Vortriebswerkzeugs 1 nahezu ausschließ­ lich durch die von dem eingepreßten Beton ausgeübte Druck­ kraft bewirkt wird und der erforderliche Preßdruck während der Herstellung der Betonsäule bestehen bleibt. Erst wenn die Kegelspitze 4 sich bis auf 1-2 m der Bodenoberfläche genähert hat, wird der Betonförderdruck zurückgenommen und entsprechend ein größerer Hubkraftanteil auf das Hebezeug verlagert. Hierdurch wird erreicht, daß sich der unter hohem Druck stehende Beton bei der in den oberen Boden­ schichten im allgemeinen geringeren Lagerungsdichte nicht an dem Vortriebswerkzeug 1 vorbeidrückt und nach oben ent­ weicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht eine Abhängig­ keit zwischen dem Einpreßdruck des Betons, sowie dem Querschnitt des Vortriebswerkzeugs 1 und dem Gewicht der aus Vortriebswerkzeug 1 und Außenvibrationsramme 6 bestehen­ den Einheit, wobei die Reibung zwischen Boden 2 und Vor­ triebswerkzeug 1 außer acht gelassen ist. Um den gewünschten Druck im Beton erzielen zu können, muß daher das Gewicht von Vortriebswerkzeug 1 und Außenvibrationsramme 6 dem Querschnitt des Vortriebswerkzeugs 1 angepaßt werden. Hier­ bei sollte die Außenvibrationsramme 6 zur Erzielung einer hohen Rüttelleistung nach Möglichkeit den größeren Gewicht­ anteil haben. Ist das Gewicht im Verhältnis zum Querschnitt des Vortreibrohres zu groß, so kann zur Vermeidung eines zu hohen Drucks im Beton das Ausheben der Vorrichtung mit Hilfe des Hebezeugs unterstützt werden. Durch Aufnahme eines größeren Anteils der Aushubkraft am Hebezeug läßt sich ent­ sprechend auch bei ungünstigen Bodenfestigkeiten eine Druck­ absenkung erzielen.

Der Querschnitt, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Betonsäulen entspricht mindestens dem Quer­ schnitt des Vortriebswerkzeugs. In lockeren und weichen Bodenschichten vergrößert sich dieser Querschnitt unter der Druckwirkung des Betons zum Teil erheblich. Die Ver­ dichtung des Betons wird bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren durch die Pulsation der Betonpumpe unterstützt.

Eine Steigerung der Verdichtung wird ferner auch dadurch erreicht, daß beim Einpressen des Betons die Vibrations­ ramme 6 betrieben wird. Ferner wird durch den Betrieb der Vibrationsramme 6 die Mantelreibung zwischen dem Vortriebswerkzeug 1 und dem Boden verringert und das Hochdrücken des Vortriebswerkszeugs 1 durch den einge­ preßten Beton erleichtert.

Im Vergleich zu den bisher bekannten Pfahlgründungen bietet das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur Vorteile hinsichtlich der Einfachheit des Verfahrensablaufs, sondern auch eine Verbesserung hinsichtlich der Trag­ fähigkeit, die auf eine höhere Bodenverdichtung und eine bessere Bodenverzahnung zurückzuführen ist. Die Setzungen unter Gebrauchslast sind bei Betonsäulen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich geringer als beispielsweise bei Ramm- oder Bohrpfählen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die beschriebene Vorrichtung sind in erster Linie zur Herstellung von unbewehrten Betonsäulen vorgesehen. Nach dem gleichen Verfahren lassen sich hingegen auch bewehrte Beton­ säulen herstellen, wenn das Vortriebswerkzeug in ge­ eigeneter Weise abgewandelt wird. So können beispiels­ weise in der Kegelspitze 4 rings um das Betonförderrohr 7 und parallel zu diesem Bohrungen angeordnet sein, durch die Bewehrungsstäbe in das Innere des Vortreibrohrs 3 einführbar sind. Das untere Ende der Bewehrungsstäbe wird dabei zweckmäßig an einer entsprechend vergrößerten Kappe 6 befestigt, die beim Füllen des Bohrlochs durch den eingepreßten Beton am Boden des Bohrlochs festge­ halten wird, so daß beim Hochfahren des Vortreibrohrs die Stäbe gegen den Druck des Betons aus dem Vortreib­ rohr herausgezogen werden. Dieser Vorgang wird durch das Gewicht der Bewehrungsstäbe noch unterstützt.

•  1 Vortriebswerkzeug
   2 Boden
   3 Vortreibrohr
   4 Kegelspitze
   5 Flanschplatte
   6 Außenvibrationsramme
   7 Betonförderrohr
   8 Kappe
   9 Krümmer
  10 Flanschverbindung
  11 Anschlußrohr
  12 Führungsblock

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von insbesondere unbe­ wehrten Betonsäulen im Boden, bei dem mit einem einen Rüttelantrieb aufweisenden Vortriebswerkzeug ein Hohlraum hergestellt und anschließend mit Beton verfüllt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Vortriebswerkzeug (1) mittels eines Vertikalrüttlers (6) bis auf Solltiefe in den Boden (2) eingerüttelt wird und daß anschließend der Beton mit einem solchen Druck unter den Verdrän­ gungskopf (4) des Vortriebswerkzeugs (1) gepreßt wird, daß die Aushubkraft zum Ziehen des Vortriebswerkzeugs ganz oder bei ungünstigen Bodenfestigkeiten wenigstens teilweise durch den Druck des eingepreßten Betons er­ zeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck, mit dem der Beton eingepreßt wird, 5-6 bar beträgt.

3. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Einpreßdruck des Betons abge­ senkt wird, wenn der Verdrängungskopf in den oberen, 1-2 m unterhalb der Oberfläche des Bodens liegenden Bereich gelangt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem in den Boden treibbaren, einen Hohlraum erzeugenden Vortriebs­ werkzeug, das mit einem Rüttelantrieb versehen ist, und mit einer an einer Förderpumpe anschließbaren Materialzuführung am Vortriebsende, dadurch gekennzeichnet, daß das Vortriebswerk­ zeug (1) aus einem Vortreibrohr (3) besteht, das an seinem unteren Ende durch einen Vortriebskopf (4) ver­ schlossen ist und dessen oberes Ende eine vertikal schwingende Außenvibrationsramme (6) trägt und daß im Vortreibrohr (3) ein Betonförderrohr (7) angeordnet ist, dessen Mündung in dem Vortriebskopf (4) liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nach unten gerichtete Mündung des Beton­ förderrohrs (7) durch eine verlorene Kappe (8) ver­ schließbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an das obere Ende des Vortreibrohres (3) eine Flanschanschlußplatte (5) zur Befestigung der Außenvibrationsramme (6) angeschweißt ist, wobei das Betonförderrohr (7) unterhalb der Flanschanschluß­ platte (5) durch die Wand des Vortreibrohrs (3) nach außen geführt und dort mit einem Anschlußstutzen (10) versehen ist.

7. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Vortriebskopf (4) als Kegelspitze ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelfußwinkel der Kegelspitze etwa 60 Grad beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außendurchmesser des Vortriebs­ kopfes (4) und des Vortreibrohres (3) gleich sind.

10. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, daß ein auf den Boden aufleg­ barer, ringförmiger Führungsblock (12) vorgesehen ist, in dessen Mittelöffnung das Vortreibrohr (3) geführt wird.