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Vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung
der Tragfähigkeit eines
mit Hilfe eines Vibrators in den Boden hineingetriebenen Gegenstandes
(zum Beispiel ein Pfahl oder ein Dammbalken).
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Allgemein
ist bekannt, dass man beim Einrammen eines Gegenstands mit Hilfe
eines Vibrators daran interessiert ist, die Reibungskräfte zwischen diesem
Gegenstand und dem Boden zu verringern, um den Gegenstand unter
Vibration zu versetzen. Die Vibration des Gegenstandes ersetzt die
statische Reibung durch eine etwa zehn Mal geringere dynamische
Reibung.
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Außerdem erfolgt
das Einrammen des Gegenstandes gleichzeitig durch das Gewicht desselben
und dessen Zubehör,
durch die Kraft, die eventuell darauf ausgeübt wurde, sowie die Zentrifugalkraft der
exzentrischen Auswuchtmassen des Vibrators, zwecks Erzeugung von
Vibrationen. Der Vorteil dieser Lösung leitet von der Erhöhung der
Einrammkraft und von der Verringerung der durch den Boden auf den
Gegenstand ausgeübten
Widerstandskraft her.
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Es
erweist sich aus vielen Gründen
als wünschenswert,
vor der Vollstreckung wichtiger Arbeiten auf einem Boden die Tragkraft
eines in diesen Boden eingerammten Gegenstandes, und dieses in die
verschiedenen Schichten dieses Bodens eingerammt, zu kennen.
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Dieser
Parameter interessiert tatsächlich nicht
nur dem Unternehmen, das damit beauftragt ist, Gegenstände in den
Boden (Pfähle,
Dammbalken, Abzugskanäle
...) einzurammen, um die Größe des zu
verwendenden Vibrators, die Frequenz und/oder die Vibrationsweite
zu wählen,
sondern auch den Bauunternehmen, die mit der Ausführung von
Bauten beauftragt sind, zur Bestimmung dieser Arbeiten, der Art
der zu verwendenden Infrastruktur, usw. Aus dem Dokument DE-A-10532931
ist ein Verfahren zur Ermittlung der Tragkraft eines mit Hilfe eines
Vibrators in den Boden eingerammten Pfahles bekannt.
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Um
diese Tragkraft zu bestimmen, besteht das durch den Anspruch 1 definierte
erfindungsgemäße Verfahren
darin, den Gegenstand (oder einen äquivalenten Gegenstand) in
den Boden einzurammen und auf mindestens einer bestimmten Rammtiefe
den dann auszuübenden
Rammvorgang auf den gesamten oder einen Teil des Gegenstandes abzustellen,
wobei eine Einrammkraft zunimmt zur Erfassung der Kraftschwelle,
ab der man eine Verschiebung des genannten Gegenstandes oder des
besagten Teils und von dieser Kraftschwelle einen Wert entsprechend
der statischen Tragkraft des Gegenstandes ermitteln kann.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsvariante der
Erfindung wird das Einrammen des Gegenstandes in den Boden mit Hilfe
eines Vibrators durchgeführt,
dessen Zentrifugalkraft verändert
werden kann.
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Bei
mindestens einer Einrammtiefe, bei der der Gegenstand unter üblichen
Betriebsbedingungen des Vibrators nicht auf Widerstand stößt, wird
das erfindungsgemäße Verfahren
darin bestehen, die auf den Gegenstand ausgeübte Zentrifugalkraft zu ändern, eine
Zentrifugalkraftschwelle zu bestimmen, wobei der Übergang
vom Widerstand zum Beginn des Einrammens markiert und ein repräsentativer Parameter
für diese
Zentrifugalkraft (Amplitude, Frequenz der Auswuchtmassen ...) ermittelt
wird, sowie eine statische Tragkraft zu errechnen, indem der ermittelte
Parameter mit einen Koeffizienten des Verhältnisses statische/dynamische
Kraft multipliziert wird.
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Bei
Auftreten eines Widerstandes gegen das Einrammen kann die auf den
Gegenstand zum Einrammen ausgeübte
Zentrifugalkraft ermittelt und die statische Tragkraft aus der zuvor
ermittelten Zentrifugalkraft abgeleitet werden, wobei zu verstehen
ist, dass die statische Tragkraft proportional zu der bei Auftreten
des Widerstandes ausgeübten
Zentrifugalkraft ist.
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Gewiss
kann die Veränderung
der Zentrifugalkraft durch eine Veränderung der Vibrationsfrequenz
erhalten werden. Nichtsdestoweniger wird man, soweit man über einen
Vibrator mit veränderlichen
Moment verfügt,
Interesse daran haben, die Zentrifugalkraft zu ändern, indem die Exzentrizität verändert und
die Frequenz insbesondere zur Vermeidung von Störschwingungen konstant gehalten wird.
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Vorteilhaft
wird die Messung sowohl der Vibrationsfrequenz als auch die Bestimmung
des Vibrationsmoments und/oder der Vibrationsweite (welches ein
direktes Maß der
Zentrifugalkraft ist) von einer Messeinrichtung unter Einschaltung
eines Beschleunigungsmessers und eines Ablesesystems durchgeführt.
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Gemäß einem
Durchführungsmodus
des vorher beschriebenen Verfahrens, wie durch den Anspruch 12 definiert,
wird der besagte in den Boden einzurammende Gegenstand zwei Elemente
umfassen können,
das heißt:
ein erstes direkt mit dem Vibrator verbundenes starres Element,
und ein zweites entlang des ersten Elements geführtes Element, wobei Mittel
vorgesehen sind, um eine steuerbare axiale Blockierung des zweiten
Elements auf dem ersten Element zu gewährleisten und um eine veränderliche Kraft
auszuüben,
die dazu neigt, das zweite Element gegenüber dem ersten Element in eine
zur Einrammungsrichtung entgegengesetzte Richtung zu verschieben.
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In
diesem Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte
umfassen können:
- – kraftschlüssige Verbindung
der beiden Elemente mittels der steuerbaren Befestigung,
- – Einrammen
der beiden kraftschlüssig
verbundenen Elemente bis zu einer bestimmten Tiefe mittels des Vibrators,
- – Lösen der
zwei Elemente voneinander und Anhebung des ersten Elements um eine
vorgegebene Höhe,
unter Einwirkung der durch den Vibrator erzeugten Vibrationen,
- – Ausübung der
genannten ständig
zunehmenden Kraft auf die beiden Elemente, bis sich das zweite Element
gegenüber
dem ersten Element verschiebt, bis das zweite Element wieder in
seine relative Ausgangsposition auf dem ersten Element zurückkehrt.
- – Messung
der Kraft, die die Versetzung bewirkt hat, die der vom Boden auf
die Oberfläche
des zweiten Elements ausgeübten
Reibungskraft entspricht, und Berechnung der Tragfähigkeit
des zweiten Elements,
- – eventuelle
Wiederholung dieses Vorgangs bis zum Erreichen der gewünschten
Tiefe,
- – Berechnung
der Summe der für
jede Tiefe berechneten Tragkraft, um die Gesamttragfähigkeit zu
erhalten.
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Die
Ausführungsarten
der Erfindung werden im folgenden als nicht einschränkende Beispiele
beschrieben, mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in
denen:
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Die 1 und 2 in
Frontsicht (1) und seitlich (2)
eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
darstellen, wobei ein Hubsystem benutzt wird, um die besagte Kraft
auszuüben;
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Die 3 bis 5 sind
Seitenansichten der in 1 dargestellten Vorrichtung,
mit Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrensprinzips;
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6 stellt
eine zeitliche Druckkurve des Hydraulikmediums der Hubzylinder dar,
wobei sich das Gleiten auslöst;
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7 ist
eine schematische Darstellung von mehreren aufeinander folgenden
Messzyklen, die aus einer Tiefe von drei Metern bis zu einer Tiefe
von zehn Metern erfolgen;
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8 und 9 sind
Vorderansichten (8) und Seitenansichten (9)
einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der ein Windesystem mit Kabeln anstelle von Hubzylindern benutzt
wird.
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In
dem in den 1 bis 4 veranschaulichten
Beispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren
bei der Ermittlung der Tragkraft eines mittels eines klassischen
Vibrators 2 in den Boden eingerammten rohrförmigen Pfahls 1 mit
Kreissektion angewandt, was folgendes umfasst:
- – drehbar
im Inneren des Gehäuses 4 montierte Auswuchtmassen 3,
die von einer im Gehäuse untergebrachten
Motorisierung angetrieben werden;
- – eine
Aufhängevorrichtung 5 des
Gehäuses
4, zum Beispiel auf dem Haken eines Krans,
- – eine
kraftschlüssig
mit dem Gehäuse 4 verbundene
Hydraulikzange 6, die zur sicheren Befestigung des am oberen
Ende des Pfahls 1 hineinzutreibenden Vibrators dient.
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Am
unteren Ende dieses rohrförmigen
Pfahls 1 greift ein ausziehbares Führungsrohr 7 ein und
ist dort befestigt, das den Pfahl 1 auf eine vorbestimmte Länge verlängert.
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Auf
diesem Führungsrohr 7 greift
ein gleitend montiertes, ausziehbares Pendelrohr 8 mit
eindeutig dem gleichen Durchmesser wie der des Pfahls 1 ein.
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Die
Verschiebungen des Pendelrohrs 8 zum rohrförmigen Pfahl 1 werden
von zwei hydraulischen Hubzylindern V1,
V2 gesichert, die sich auf dem Pfahl 1 und
auf dem Pendelrohr 8 abstützen. Diese beiden Hubzylinder
V1, V2, die parallel
an die Längsachse des
Pfahls 1 angelenkt sind, liegen der genannten Achse diametral
gegenüber.
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Jeder
Hubzylinder ist in einem einstückigen Schutzgehäuse 10 mit
dem Pendelrohr 8 untergebracht und entlang des Pfahls 1 gleitbar
angebracht.
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Diese
Hubzylinder V1, V2,
können
doppelwirkend zwei Positionen einnehmen, das heißt:
- – eine geschlossene
Position, in welcher das obere Ende des Pendelrohrs 8 gegen
das untere Ende des Pfahls 1 (in 3 dargestellte
Position) anschlägt,
um eine Übertragung
der Vibrationen zwischen dem Pfahl 1 und dem Pendelrohr 8 zu sichern,
wobei diese Position dazu benutzt wird, um das Einrammen des Satzes
Pfahl 1/Pendelrohr 8 durchzuführen.
- – eine
geöffnete
Position, in welcher sich das Pendelrohr vom Pfahl 1 auf
einer gleichen Entfernung wie der Verlauf der Hubzylinder V1, V2 entfernt befindet,
wobei diese Entfernung unter der Länge des Führungsrohrs bleibt, das den
Pfahl (4) überragt.
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Zur
Orientierung kann der Pfahl 1 eine Länge von ungefähr 10 m
und einen Innenquerschnitt von 300 mm aufweisen, das Führungsrohr 7 kann
eine Länge
von ungefähr
1,2 m und einen deutlichen Außenquerschnitt
gleich 300 mm aufweisen. Das Pendelrohr 8 kann eine Länge von
1 m und einen eindeutigen Querschnitt gleich 300 mm aufweisen. Der
Verlauf der Hubzylinder V1, V2 darf
gleich 0,5 m sein.
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So
wie in diesen Figuren veranschaulicht, ist der Betriebsmodus folgender:
Zunächst wird
mit Hilfe des Vibrators eine erste Einrammphase des Komplexes Pfahl 1/Pendelrohr 8 eingeleitet.
Bei dieser ersten Phase soll eine angemessene Tiefe (zum Beispiel
3 m) erreicht werden, damit die durch den Boden auf den Pfahl 1 ausgeübten Reibungskräfte ausreichen,
damit der Pfahl 1 als Reaktionsrohr wirken kann. Über dieser
Tiefe besteht die Gefahr, dass der Pfahl 1 durch die Wirkung
der Hubzylinder V1, V2 auf
das Pendelrohr eingerammt wird anstatt das Pendelrohr 8 zu
heben.
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Gewiss
wird diese Tiefe nach den geologischen Daten verstellbar sein, die
zum Beispiel die Kontinuität
der Schichten betreffen können.
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Im
Verlaufe dieser ersten Einrammphase sind die Hubzylinder V1, V2 in Schließposition,
wobei das Pendelrohr 8 auf das Pfahl 1 anschlägt, um ein normales
Vibrationsrammen zu erreichen.
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Im
Laufe einer zweiten Phase (4), werden
die Hubzylinder V1, V2 befreit
und auf den Pfahl 1 ein Zug ausgeübt, um diesen etwa 50 cm zu
heben. Die Hubzylinder sind dabei frei, das Pendelrohr 8 vibriert
nicht und bleibt dann auf seinen Platz.
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Im
Laufe einer dritten Phase wird das Messen ausgelöst, wobei die Hubzylinder V1, V2, in Richtung
des Anstiegs des Pendelrohrs 8 in Richtung auf den Pfahl 1 unter
Druck gesetzt werden. Es wird dann zur Ermittlung des Druckwertes übergegangen, der
das Gleiten des Pendelrohrs 8 auf dem Führungsrohr 7 auslöst. Diese
Ablesung gestattet es, die durch die beiden Hubzylinder V1, V2 ausgeübte Kraft zu
folgern, welche der durch den Boden auf die Oberfläche des
Pendelrohrs 8 ausgeübten
Reibungskraft entspricht.
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Die
fortschreitende Druckbeaufschlagung der Hubzylinder kann mittels
einer Hilfsversorgung von einer sehr schwach konstanten Menge erfolgen. In
diesem Falle gestattet die Darstellung der Druckkurve, in Funktion
der Zeit (6) leicht den Druck des ausgelösten Gleitens
zu visualisieren. In der Tat steigt der Druck regelmäßig bei
Ausfall des Gleitens, dann stabilisiert er sich sobald das Gleiten
erfolgt.
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Nach
Erfolgen dieser Maßnahme
wird eine vierte Etappe (6) begonnen, die darin besteht, die
Hubzylinder wieder zu schließen,
um das Pendelrohr 8 mit dem Pfahl 1 zu kontaktieren
(und diese unter Druck zu halten), dann über den Vibrator eine neue
Einrammphase durchzuführen,
um die Gruppe Pfahl 1/Pendelrohr 8 zu einer zweiten
Tiefenebene zu führen,
zum Beispiel von 4 m.
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Die
Hubzylinder V1, V2 werden
danach freigelegt, dann wird der Pfahl unter Vibration wieder auf eine
Zwischenebene gebracht, zum Beispiel 50 cm, indem das Pendelrohr
auf seinen Platz gelassen wird.
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Es
wird danach eine ähnliche
Messung wie die vorangehende durchgeführt unter fortschrittlicher Zunahme
des Drucks der Hubzylinder und unter Erhöhung des Drucks, der den Beginn
der Gleitbewegung des Pendelrohrs hervorruft.
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Nachdem
diese Maßnahme
erfolgt ist, werden die Hubzylinder wieder geschlossen. Die Vorrichtung
ist dann bereit, einen neuen Messzyklus durchzuführen.
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Dieser
Vorgang wiederholt sich stufenweise bis zum Erreichen der gewünschten
maximalen Tiefe.
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7 zeigt
drei Messzyklen C1, C2,
C3 zu je 3 m, 4 m und 10 m.
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Die
Summe der experimentell auf jeder Tiefe ermittelten Tragkraft gestattet
dann den Erhalt der gesamten Tragfähigkeit des Pfahls.
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Der
zuletzt durchgeführte
Messzyklus auf der gewünschten
maximalen Tiefe (Zyklus, in dessen Verlauf der anfänglich in
dieser maximalen Tiefe versenkte Pfahl auf einer Zwischenebene (hier
9,5 m) montiert wird), kann durch einen zusätzlichen Schritt vervollständigt werden,
der darin besteht, den Pfahl 1 durch Einrammen auf die
maximale Tiefe (hier 10 m) zu bringen und den Wert des Schubes der
Hubzylinder V1, V2 nach
unten zu messen, was nötig
ist, um eine erste Bewegung des Pendelrohrs 8 nach unten hervorzurufen.
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Dieser
zusätzliche
Schritt C4 gestattet es, gleichzeitig den
Beitrag zur Tragfähigkeit
durch seitliche Reibung und durch Spitzenwiderstand zu messen.
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Genauer
ergibt die Summe der doppelten von jeder gemessenen Kraft die Gesamtheit
der seitlichen Reibung auf den Pfahl 1, eine Reibung, der man
die Spitzen-Gegenwirkung hinzufügt,
um die wirkliche Tragkraft zu erhalten.
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Ist
dann die wirkliche Tragkraft des Pfahls 1 bestimmt, die
für die
Messungs-Anforderungen benutzt wird, so ist es möglich, die Tragkraft der Pfähle mit
benachbarten Abmessungen zu bestimmen, wobei zu verstehen ist, dass
die Tragkraft eines Pfahls proportional zu dessen mit dem Boden
in Kontakt stehende Oberfläche
ist und mit gleichen Längen
und ähnlichen
Lagen zu seinem Durchmesser.
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In
den vorher beschriebenen Beispielen wird das Messen des Einrammens
des Pfahls in dem Boden mittels einer Graduation G erhalten, die
vom Pfahl 1 getragen wird (das kann zum Beispiel aus auf dem
Pfahl auf jeden Meter oder alle 50 cm eingetragenen Markierungen
bestehen).
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Gewiss
begrenzt sich die Erfindung nicht auf diese Anordnung. So kann diese
Messung mittels einer elektronischen Messeinrichtung gesichert werden,
um einen automatischen Betrieb des Systems erreichen zu können.
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So
wird man ein auf einen instrumentierten Wickler montiertes Kabel
benutzen können,
dessen freies Ende am unteren Ende des Pfahls befestigt wird.
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Der
Wickler kann dann mit einem Prozessor verbunden sein, der so entworfen
ist, um aus den vom Wickler ausgelieferten Informationen die Tiefe zu
bestimmen (eventuell in Funktion der Zeit).
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Es
wird ebenfalls möglich
sein, einen auf das Ankupplungsgehäuse des Vibrators befestigten
Laser-Entfernungsmesser zu benutzen und eine mit dem Boden kraftschlüssig verbundene
reflektierende Zielscheibe auszurichten.
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In
dem in den 8 und 9 dargestellten Beispiel
ist der Antrieb des Pendelrohrs auch nicht durch Hubzylinder gesichert,
sondern durch zwei Kabel CA1, CA2, die auf zwei dafür vorgesehenen Winden T1, T2 aufgerollt
werden, die von der Hydraulikklammer 6 auf beiden Seiten
des oberen Endes des Pfahls 1 getragen werden.
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Diese
zwei Kabel CA1, CA2 verlaufen
durch zwei Schutzrohre P1, P2,
die entlang des Pfahls 1 angeordnet sind, bevor sie über ihre
freien Enden an zwei diametral gegenüberliegenden Punkten des Pendelrohr 8 befestigt
werden.
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Gewiss
können
die Winden so instrumentiert werden, um eine Information über die
Einrammtiefe des Pfahls abzugeben.