EP1068402A1 - Gerät zum Einbringen eines Fremdstoffes in Böden und/oder zur Verdichtung des Bodens und Verfahren zur Herstellung einer Materialsäule im Boden - Google Patents

Gerät zum Einbringen eines Fremdstoffes in Böden und/oder zur Verdichtung des Bodens und Verfahren zur Herstellung einer Materialsäule im Boden

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EP1068402A1
EP1068402A1 EP99915722A EP99915722A EP1068402A1 EP 1068402 A1 EP1068402 A1 EP 1068402A1 EP 99915722 A EP99915722 A EP 99915722A EP 99915722 A EP99915722 A EP 99915722A EP 1068402 A1 EP1068402 A1 EP 1068402A1
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EP
European Patent Office
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articulated arm
unit
soil
connecting piece
lowering unit
Prior art date
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EP99915722A
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English (en)
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B.V. Vibroflotation
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Vibroflotation BV
Original Assignee
Vibroflotation BV
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Publication date
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Publication of EP1068402B1 publication Critical patent/EP1068402B1/de
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    • E02D3/08—Improving by compacting by inserting stones or lost bodies, e.g. compaction piles
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    • E02D3/046—Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil
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    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
    • E02D5/22—Piles
    • E02D5/34—Concrete or concrete-like piles cast in position ; Apparatus for making same
    • E02D5/46—Concrete or concrete-like piles cast in position ; Apparatus for making same making in situ by forcing bonding agents into gravel fillings or the soil
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    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/02—Placing by driving
    • E02D7/06—Power-driven drivers
    • E02D7/14—Components for drivers inasmuch as not specially for a specific driver construction

Definitions

  • the invention relates to a device for introducing a foreign substance into soils or for compacting the soil with a deep vibrator as a processing tool.
  • the "free-running method” When working with deep vibrators, the "free-running method" is currently used, which means that the vibrator is attached to a cable excavator or a similar cable lifting device via a cable pulley or a hook or the leader guide.
  • the leader guide has the advantage over the free-running method of restricting the degrees of freedom of the displaceability of the vibrating unit on a predetermined, preferably vertical line, so that foreign bodies (for example piles, gravel columns, drains) can be produced with the desired verticality. Elements with a predefined inclination from the vertical cannot be produced in a free-moving manner at all.
  • EMPLOYMENT COPY necessary degrees of freedom of the deflection from the vertical direction of penetration to avoid damage to the device. As a result, the criterion of verticality of material columns in the ground is at least partially abandoned.
  • the leader control allows not only pulling devices upwards, but also a downward pulling force on the vibrator with the help of a rope that is led over a capstan winch and attached twice to the leader carriage. These forces, which can be mobilized in addition to their own weight, significantly support the penetration of the vibrator into the ground and considerably accelerate the progress of the work, or make it possible to reach a desired depth in the first place.
  • the advantage of the free-running method is that the high flexibility of the vibrating unit on the rope enables a much faster movement between the processing points, because in contrast to the leader device, only the mast has to be pivoted, but the entire device does not have to be moved.
  • the free-moving method of the leader method is economically superior, since there is no need for auxiliary scaffolding and special constructions. Even in soft ground with insufficient load-bearing capacity for the heavy caterpillars of the broker vehicles (usually a kind of pile driver), the free-moving method is advantageous or the broker guidance is sometimes not possible. The floor is often softened just near the point of vibration and the load-bearing capacity is reduced. Just there, however, the greatest force of the caterpillars of the leader is applied.
  • the earth-moving equipment for the free-riding method is less expensive and easier to obtain as rental equipment than the specialists required for the leader method.
  • DE 22 60 473 C3 describes a device for creating material columns in the ground, in which a deep vibrator is arranged on a cantilever beam of a lifting device via a rod.
  • a device for compacting the soil, in which a tubular vibration unit is attached to an arm of an excavator on an upper end face and can be placed on the soil by means of the arm. Due to vibrations of the vibrating unit, it sinks into the soil with compaction of the soil and is then pulled out and brought to the next position. In contrast to deep vibrators, it is not necessary for the vibration unit to be movable along a predetermined direction; corresponding means are therefore not provided.
  • a trench compactor is known with an immersion vibrator arranged at a lower end of a linkage.
  • the linkage is arranged on a boom of a hydraulic excavator that presses the vibrator into the ground at its place of use.
  • the immersion vibrator remains stationary in the ground during the compaction process and is pulled out of the ground again after the compaction process has been completed.
  • a movability of the immersion vibrator plays unlike deep vibrators, no role, corresponding means are therefore not provided.
  • the object of the present invention is to provide a device for introducing a foreign substance into the soil and / or for compacting the soil, which does not have the disadvantages mentioned above.
  • the device then has a sinking unit which has a deep vibrator and which is coupled to an articulated arm, a control device being provided by means of which the articulated arm can be controlled in such a way that the lowering unit can be moved linearly in its longitudinal direction in a predetermined direction.
  • the arrangement of the lowering unit on the articulated arm guarantees the desired restriction of the degrees of freedom when the lowering unit moves compared to a device that functions according to the free-running method.
  • the arrangement of the lowering unit on the articulated boom offers more freedom of movement insofar as the lowering unit can be introduced into the ground at various adjacent application points due to the mobility of the outrigger without having to move an earth-moving device carrying the articulated boom, as is necessary with devices that work according to the leader method.
  • a control unit enables the sinking unit to be inserted straight into the floor vertically or at almost any angle.
  • the boom is controlled by means of the control unit in such a way that the lowering unit can be inserted linearly in the longitudinal direction into the floor to create a material column without any transverse forces between the wall of the loading or unloading. already existing or arise from the insertion of the sink unit and the sink unit.
  • an inclination sensor in the lowering unit.
  • Sensor signals of the inclination sensor can be fed to the control unit of the jib boom in order to correct the articulated jib if the direction of movement of the lowering unit deviates from a predetermined direction.
  • the lowering unit is advantageously coupled to the boom by means of a connecting piece, the connecting piece having at least one force sensor for detecting transverse forces between the connecting piece and the lowering unit.
  • transverse forces arise, for example, if the articulated arm is tracked in the event of a deviation of the lowering unit from the specified direction. If the transverse forces on the connecting piece exceed a maximum permissible value, the connecting piece or the bracket can be damaged.
  • Sensor signals of the at least one force sensor are fed to the control unit of the boom in order to abort the tracking of the boom if damage to the boom cannot be ruled out due to the transverse forces occurring.
  • the articulated arm has a number of links, by means of which the control unit causes a linear movement of the lowering unit.
  • the control unit causes a linear movement of the lowering unit.
  • at least one these links a telescopic mechanism to achieve a variable length of the link.
  • an extension tube of the lowering unit which preferably adjoins the deep vibrator at the top, with a variable length.
  • the change in length is preferably carried out by means of a telescopic mechanism and allows the soil to be worked at greater depths.
  • the maximum possible length of the countersink unit when it is introduced into the ground is limited by the boom to which the countersink unit is attached.
  • a plurality of lowering units in particular in a triangular, star-shaped or square arrangement on the boom.
  • a corresponding number of columns of material can be created in the floor in one work step.
  • Figure 1 embodiment of a device according to the invention before the insertion of a sinking unit in the floor;
  • FIG. 2 embodiment of the device according to the invention according to FIG. 1 with the lowering unit inserted into the floor;
  • Figure 3 Block diagram of a control circuit of the device according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 show a device according to the invention for introducing a foreign substance into the soil, in particular for creating columns of material in the soil, or for compacting the soil.
  • the device has a lowering unit 22 which is arranged by means of a connecting piece 14 on a boom of a movable construction device 1 having three support members 2, 3, 4.
  • the support members 2, 3, 4 are connected to one another in an articulated manner and each can be moved about the joints via hydraulic actuating cylinders 17, 18, 19.
  • Another joint 16 is provided between the foremost support member 4 and the connecting piece 14, the connecting piece 14 being movable relative to the foremost supporting member 4 by means of a further hydraulic cylinder 20.
  • the sinking unit In order to create columns of material or to compact the soil, the sinking unit, as shown in FIG. 2, is inserted into the soil. It is essential that the sink unit 22 only linearly in its both when it is inserted into the floor and when it is subsequently pulled out
  • a control unit which controls the hydraulic adjusting cylinders 17, 18, 19, 20 and which matches the stroke paths of the adjusting cylinders 17, 18, 19, 20 when the lowering device 22 is raised and lowered so that the sinking device 22 maintains a predetermined angle with respect to the vertical or the floor surface and is not subject to any horizontal movement. This ensures that the friction between the countersink 22 is minimal both when it is introduced into the ground and when it is pulled out and that the countersink 22 is not subjected to any bending stress.
  • the adjusting cylinder 20 adjusts the angle of the connecting piece 14 with respect to the front support member 4 via the joint 16 such that the lowering unit maintains a predetermined angle with respect to the vertical or the horizontal.
  • the support members 2, 3, 4 are adjusted by the actuating cylinders 17, 18, 19 so that the starting point of the lowering unit 22 on the floor remains unchanged when lifting and lowering.
  • the lowering device 22 has a filling funnel at an upper end for filling the material to be introduced into the ground.
  • the material passes through a first shutter 6 in a lock chamber "15 and from there via a second shutter 7 via a material feed pipe 10 to the area of application of the material at the top of Versenkvoriques 22.
  • a deep vibrator 12 In the lower region of the Versenkvoriques is a deep vibrator 12 with a vibrating tip 13 into which the material delivery pipe 12 opens for the material to exit.
  • the leaked material is compacted by the deep vibrator 12, the sinking unit 22 being raised into the opening by the boom 2, 3, 4 with increasing material discharge, leaving a compacted material column there.
  • the orientation of the material column corresponds to the orientation of the sinking unit 22 introduced into the floor.
  • the columns according to the invention are used Device columns can be generated at almost any angle to the floor surface.
  • An extension tube 8 is arranged between the deep vibrator 12 and the lock chamber 15, and its length is preferably variable.
  • the length is adjusted, for example, using a telescopic mechanism.
  • the sinking unit 22 must not exceed a maximum length, which is predetermined by the length of the boom 2, 3, 4, in order to enable vertical insertion into the ground.
  • the described embodiment enables the extension tube 8 to be shortened in order to allow insertion into the ground and then to lengthen the extension tube 8 with increasing working depth.
  • At least one of the support members 2, 3, 4 is preferably variable in length, which enables the use of a longer sinking unit 22 and thus the penetration into greater depths.
  • an inclination sensor is advantageously provided in the vibrating unit 13, which detects the inclination of the lowering unit 22 with respect to the horizontal or vertical and which provides a sensor signal that the control unit of the articulated arm 2, 3, 4 can be fed. If the inclination of the lowering unit deviates from a predefined inclination, the articulated arm 2, 3, 4 is tracked in order to maintain the predefined inclination.
  • the connecting piece 14 between the lowering unit 22 and the articulated arm 2, 3, 4 is preferably vibration-damping and has at least one force transducer for detecting torsional forces and / or transverse forces on the connection between the connecting piece 14 and articulated arm 2, 3, 4.
  • the articulated arm 22 is long in a direction perpendicular to the direction of penetration until the desired direction of penetration is set.
  • the countersinking unit 22 is subjected to a bending load which causes torsional forces on the connecting piece 14 or transverse forces acting perpendicular to the connecting surface of the connecting piece 14 and the countersinking unit 22. These forces, which can damage the connection or the articulated arm 2, 3, 4, are detected by the force sensors.
  • Sensor signals provided by the force sensors are fed to the control unit of the articulated arm 2, 3, 4, the sensor signals being taken into account when the articulated arm 2, 3, 4 is moving, and the articulated arm 2, 3, 4 is only adjusted to correct the direction of penetration, as long as the occurring forces are below a permissible maximum value. If the constraining forces exceed the permissible value, the lowering process is stopped. The deviation of the lowering unit 22 from the ideal line can result from an obstacle located in the ground, which then makes a new lowering process necessary at an adjacent point.
  • the sensor signals generated by the force sensors can also be used to track the transverse forces occurring in a direction perpendicular to the desired direction of movement of the lowering unit 22 until the transverse forces unite fall below the specified value. Avoiding excessive transverse forces is intended to damage the connection between
  • Boom 2, 3, 4 and sinking unit 22 in particular in the area of the joint 16, through which the force is transmitted from the connecting piece 14 to the boom 22, can be prevented.
  • the transverse forces can arise, for example, from obstacles in the ground which prevent the sinking unit 22 from advancing along a desired ideal line.
  • a plurality of force sensors are arranged in a circle around the lowering unit 22 in the region of the connecting piece 14.
  • FIG. 3 shows an example of a block diagram to illustrate the activation of the articulated arm 2, 3, 4 for moving the sinking unit 22 into the ground and for moving out of the ground after the sinking unit 22 has been positioned over the desired penetration point.
  • a control unit 30 acts to move the articulated arm 2, 3, 4 on the hydraulic actuating cylinders 17, 18, 19, 20.
  • the actuation of the actuating cylinders 17, 18, 19, 20 takes place in accordance with a control signal 34 which is issued by an actuating unit 32 is made available and this signals whether an up or down movement or no movement of the lowering unit
  • the actuation unit 32 can be an actuation lever which is customary in excavators. Taking into account the current position of the actuating cylinders 17, 18, 19, 20, these are controlled in dependence on one another such that the lowering unit 22 is moved linearly in its longitudinal direction. An angle at which the sinking unit 22 is to penetrate into the floor is taken into account when actuating the actuating cylinders 17, 18, 19, 20.
  • sensor signals 38 of an inclination sensor 36 arranged in the vibrating unit 13 and a sensor signal 42 of at least one force transducer 40 arranged in the region of the connector 14 are taken into account.
  • the actuating cylinders 17, 18, 19, 20 are controlled so that the articulated arm 2, 3, 4 is adjusted perpendicular to the penetration direction.
  • the forces occurring between the connecting piece 14 and the countersinking unit 22 are monitored and the penetration process or a further movement of the actuating cylinders is interrupted when the sensor signal 42 signals excessive forces. 12
  • the control or regulation of the movement of the gel boom 2, 3, 4 as a function of the constraining forces when readjusting the direction of penetration is also important in order to prevent the extension tube 8 from being stressed by its flexural strength.
  • the device according to the invention enables a rational and, in comparison to previous devices, inexpensive and rational procedure for introducing foreign substances into the soil or for compacting the soil.
  • the use of a mobile hydraulic excavator 1, on the boom 2, 3, 4 of which the lowering unit 22 is attached, enables operations to be carried out in succession at different locations in a rational manner. Because the hydraulic excavator 1 is equipped with a slewing ring and the boom can be pivoted laterally, for example by means of a ball joint bearing, material columns can be introduced into the ground at adjacent locations without the excavator 1 having to be moved.
  • the rigid boom 2, 3, 4 also prevents the sinking unit 22 from swinging when it is introduced into the ground.
  • control device 32 actuating element 34 control signal

Description

Gerät zum Einbringen eines Fremdstoffes in Böden oder zur
Verdichtung des Bodens
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Einbringen eines Fremdstoffes in Böden oder zur Verdichtung des Bodens mit einem Tiefenrüttler als Bearbeitungswerkzeug.
Bei der Arbeit mit Tiefenrüttlern verwendet man derzeit die „freireitende Methode", das heißt, der Rüttler ist an einem Seilbagger oder einer ähnlichen Seilhebevorrichtung über eine Seilrolle oder einen Haken oder die Mäklerführung befestigt.
Außerdem sind drei- oder mehrgliedrige Trageeinrichtungen (Ausleger) an sich von der Pfahlramrnung her bekannt (Duktil- pfähl, Bild 4.16, Grundbau Taschenbuch, 4. Auflage, S. 64, Verlag Ernst & Sohn) . Diese sind aber noch nicht in Verbindung mit Tiefenrüttlern eingesetzt worden.
Die Mäklerführung hat gegenüber der freireitenden Methode den Vorteil der Beschränkung der Freiheitsgrade der Verschieb- lichkeit der Rütteleinheit auf einer vorgegebenen vorzugsweise vertikalen Linie, so dass Fremdkörper (zum Beispiel Pfähle, Kiessäulen, Drains) mit der gewünschten Vertikalität hergestellt werden können. Elemente mit vorgegebener Neigung aus der Vertikalen können freireitend überhaupt nicht hergestellt werden.
Insbesondere bei der Erstellung von Rüttelbetonpfählen oder Kiesrüttelsäulen (sog. Rüttelstopfverdichtungen) ist jedoch bei der herkömlichen Mäklerführung das Problem aufgetreten, dass der untere Haltepunkt der Führung nicht oder nur sehr selten verwendet werden kann, da die durch einseitige Ein- spannung in den Boden während des Versenkvorganges entstehenden Torsionskräfte in Kombination mit den ohnehin entstehenden Vibrationen zu untolerierbaren Schäden an Arbeits- und Tragegeräten geführt haben. Durch Verwendung nur des oberen Haltepunktes am Mäkler, einer sogenannten Rüttlertragraupe, werden in der Praxis dem Eindringen des Rüttlers bewusst alle
BESlfrlGUNGSKOPIE notwendigen Freiheitsgrade der Ablenkung von der vertikalen Eindringrichtung gelassen, um Schäden am Gerät zu vermeiden. Dadurch wird das Kriterium der Vertikalität von Materialsäulen im Boden jedoch zumindest teilweise aufgegeben.
Bei der ebenfalls herkömmlichen Methode, sich selbst versenkende Arbeitsgeräte, wie beispielsweise Tiefenrüttler, frei hängend von einem Seilbagger oder ähnlichem Gerät in den Boden herabzulassen, ist ein manuelles Nachführen zwar möglich, aber wegen der losen Seilführung nicht definierbar und nicht automatisierbar .
Die Mäklerführung erlaubt es, nicht nur Zuggeräte nach oben, sondern mit Hilfe eines über eine Spillwinde geführten und am Mäklerschlitten zweifach angeschlagenen Seiles, auch Vorschubkräfte nach unten auf den Rüttler auszuüben. Diese zusätzlich zum Eigengewicht mobilisierbaren Kräfte unterstützen das Eindringen des Rüttlers in den Boden maßgeblich und beschleunigen den Arbeitsfortschritt beträchtlich bzw. ermögli- chen das Erreichen einer gewünschten Tiefe überhaupt erst.
Die freireitende Methode hat den Vorteil, dass die hohe Beweglichkeit der Rütteleinheit am Seil eine sehr viel schnellere Bewegung zwischen den Bearbeitungspunkten ermöglicht, da im Gegensatz zum Mäklergerät nur der Mast geschwenkt, nicht aber das ganze Gerät verfahren werden muss.
An Böschungen und von Pontons im Wasser arbeitend, ist die freireitende Methode der Mäklermethode wirtschaftlich überle- gen, da auf Hilfsgerüste und Sonderkonstruktionen verzichtet werden kann. Auch in weichem mit ungenügender Tragfähigkeit für die schweren Raupen der Mäklerfahrzeuge (meist eine Art Pfahlramme) ausgestattetem Baugrund, ist die freireitende Methode vorteilhaft bzw. die Mäklerführung bisweilen nicht mög- lieh. Oft ist der Boden gerade im Nahbereich des Rüttelpunktes aufgeweicht und die Tragfähigkeit herabgesetzt. Gerade dort setzt aber die größte Kraft der Tragraupen der Mäklerführung an .
Die Erdbaugeräte für die freireitende Methode (vorwiegend Seilbagger bzw. Autokrane) sind als Mietgeräte preisgünstiger und leichter erhältlich als die für die Mäklermethode erforderlichen Speziairammen.
Als Stand der Technik wird weiterhin auf folgende Veröffent- lichungen hingewiesen:
Die DE 22 60 473 C3 beschreibt eine Vorrichtung zum Erstellen von Materialsäulen im Boden, bei der ein Tiefenrüttler über eine Stange an einem Kragbalken einer Hebevorrichtung ange- ordnet ist.
Zur Verdichtung des Bodens ist aus der US 4,280,770 eine Vorrichtung bekannt, bei der eine röhrenartige Vibrationseinheit an einer oberen Stirnseite an einem Ausleger eines Baggers befestigt und mittels des Auslegers auf den Boden aufsetzbar ist. Durch Vibrationen der Vibrationseinheit sinkt diese unter Verdichtung des Bodens in den Boden ein und wird anschließend herausgezogen und an die nächste Position verbracht. Anders als bei Tiefenrüttlern ist keine Verfahrbar- keit der Vibrationseinheit entlang einer vorgegeben Richtung erforderlich, entsprechende Mittel sind daher nicht vorgesehen.
Aus der DE-GM 72 27 703 ist ein Grabenverdichter bekannt mit einem an einem unteren Ende eines Gestänges angeordneten Ein- tauch-Vibrator . Das Gestänge ist an einem Ausleger eines Hydraulikbaggers angeordnet, der den Vibrator an seinen Einsatzort in den Boden eindrückt . Der Eintauch-Vibrator bleibt während des Verdichtungsvorgangs stationär im Boden und wird nach Abschluß des Verdichtungsvorgangs wieder aus dem Boden gezogen. Eine Verfahrbarkeit des Eintauch-Vibrators spielt, anders als bei Tiefenrüttlern, keine Rolle, entsprechende Mittel sind daher nicht vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Einbringen eines Fremdstoffes in den Boden und/oder zur Verdichtung des Bodens zur Verfügung zu stellen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach weist die Vorrichtung eine einen Tiefenrüttler aufweisende Versenkeinheit auf, die an einen Gelenkausleger angekoppelt ist, wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mittels der der Gelenkausleger derart ansteuerbar ist, daß die Versenkeinheit in einer vorgegebenen Richtung linear in ihrer Längsrichtung verfahrbar ist .
Die Anordnung der Versenkeinheit an dem Gelenkausleger ge- währleistet gegenüber einer nach der freireitenden Methode funktionierenden Vorrichtung die gewünschte Beschränkung der Freiheitsgrade bei einer Bewegung der Versenkeinheit. Zum anderen bietet die Anordnung der Versenkeinheit an dem Gelenkausleger mehr Bewegungsfreiheit insofern als die Versenkein- heit durch die Beweglichkeit des Auslegers an verschiedenen nebeneinander liegenden Einsatzpunkten in den Boden eingebracht werden kann ohne ein den Gelenkausleger tragendes Erdbaugerät verfahren zu müssen, wie das bei Vorrichtungen erforderlich ist, die nach der Mäklermethode funktionieren.
Ein geradliniges Einbringen der Versenkeinheit senkrecht oder unter einem nahezu beliebigen Winkel in den Boden wird durch eine Steuereinheit ermöglicht. Der Ausleger wird mittels der Steuereinheit derart angesteuert, daß die Versenkeinheit in ihrer Längsrichtung linear in den Boden zur Erstellung einer Materialsäule eingebracht werden kann, ohne daß beim Einbringen oder Herausziehen Querkräfte zwischen der Wandung der be- reits bestehenden oder sich durch das Einbringen der Versenkeinheit ergebenden Öffnung und der Versenkeinheit auftreten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, einen Neigungssensor in der Versenkeinheit anzuordnen. Sensorsignale des Neigungssensors sind dabei der Steuereinheit des Galenkauslegers zuführbar, um den Gelenkausleger nachzukorri- gieren, wenn die Bewegungsrichtung der Versenkeinheit von einer vorgegebenen Richtung abweich .
Vorteilhafterweise ist die Versenkeinheit mittels eines Ver- bindungsstücks an den Ausleger gekoppelt, wobei das Verbindungsstück wenigstens einen Kraftsensor aufweist zur Erfassung von Querkräften zwischen dem Verbindungsstück und der Versenkeinheit. Derartige Querkräfte ergeben sich beispielsweise, wenn der Gelenkausleger im Falle einer Abweichung der Versenkeinheit von der vorgegebenen Richtung nachgeführt wird. Übersteigen die Querkräfte an dem Verbindungsstück einen maximal zulässigen Wert, kann es zu Beschädigungen an dem Verbindungsstück oder dem Ausleger kommen. Sensorsignale des wenigstens einen Kraftsensors sind der Steuereinheit des Aus- legers zugeführt, um die Nachführung des Auslegers abzubrechen, wenn aufgrund der auftretenden Querkräfte eine Beschädigung des Auslegers nicht auszuschließen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, ein ela- stisches Verbindungsstück zwischen dem Verbindungsstück und der Versenkeinheit und/oder zwischen dem Verbindungsstück und dem Ausleger anzuordnen. Hierdurch werden die von der Versenkeinheit auf den Ausleger übertragenen Querkräfte verringert.
Der Gelenkausleger weist eine Anzahl Glieder auf, durch deren Absteuerung mittels der Steuereinheit eine Linearbewegung der Versenkeinheit erfolgt . Vorzugsweise weist wenigstens eines dieser Glieder einen Teleskopmechanismus auf, um eine variable Länge des Gliedes zu erreichen. Diese Ausführungsform ermöglicht die Anzahl der Einsatzpunkte der Versenkvorrichtung, die ohne Verfahren des den Ausleger tragenden Erdbaugeräts erreichbar sind, zu erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen ein Verlängerungsrohr der Versenkeinheit, welches sich vorzugsweise nach oben an den Tiefenrüttler anschließt, in seiner Länge variabel zu gestalten. Die Längeneveränderung erfolgt vorzugsweise mittels eines Teleskopmechanismus und erlaubt die Bearbeitung des Erdreichs in größeren Tiefen. Die maximale mögliche Länge der Versenkeinheit beim Einbringen in den Boden ist durch den Ausleger beschränkt, an dem die Ver- senkeinheit befestigt ist . Nachdem die Versenkeinheit gemäß der beschriebenen Ausführungsform bei eingefahrenem Verlängerungsrohr in den Boden eingebracht ist, kann ihre Länge durch Ausfahren des Verlängerungsrohrs vergrößert werden, um eine Bearbeitung des Bodens in größeren Tiefen zu ermöglichen.
Des weiteren ist vorgesehen, mehrere Versenkeinheiten, insbesondere in dreieckförmiger, sternförmiger oder quadratischer Anordnung an dem Ausleger anzuordnen. Hierdurch können in einem Arbeitsgang gleichzeitig eine entsprechende Anzahl Mate- rialsäulen im Boden erstellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len in Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vor dem Einbringen einer Versenkeinheit in den Boden;
Figur 2 : Ausführungsform der erfindungagemäßen Vorrichtung nach Figur 1 mit in den Boden eingebrachter Versenkeinheit ; Figur 3 : Blockschaltbild einer Steuerschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einbringen eines Fremdstoffes in den Boden, insbesondere zur Erstellung von Materialsäulen in dem Boden, oder zur Ver- dichtung des Bodens. Die Vorrichtung weist eine Versenkeinheit 22 auf, die mittels eines Verbindungsstücks 14 an einem drei Tragglieder 2, 3, 4 aufweisenden Ausleger eines verfahrbaren Baugeräts 1 angeordnet ist. Die Tragglieder 2, 3, 4 sind gelenkig miteinander verbunden und jeweils über hydrau- lische Stellzylinder 17, 18, 19 um die Gelenke beweglich. Ein weiteres Gelenk 16 ist zwischen dem vordersten Tragglied 4 und dem Verbindungsstück 14 vorgesehen, wobei das Verbindungsstück 14 mittels eines weiteren hydraulischen Zylinders 20 gegenüber dem vordersten Tragglied 4 beweglich ist.
Zur Erstellung von Materialsäulen bzw. zur Verdichtung des Bodens wird die Versenkeinheit, wie in Figur 2 dargestellt, in den Boden, eingebracht. Dabei ist es unerläßlich, daß die Versenkeinheit 22 sowohl beim Einbringen in den Boden als auch beim anschließenden Herausziehen nur linear in ihrer
Längsrichtung bewegt wird, um zum einen gerade Materialsäulen zu erhalten und zum anderen Querkräfte zu minimieren, die zwischen der Versenkeinheit 22 und der Wandung der Öffnung auftreten würden, wenn die Versenkeinheit 22 aufgrund nicht geradliniger Bewegung einer Biegebelastung unterliegen würde.
Diese Querkräfte würden insbesondere zu Querkräften zwischen der Versenkeinheit 22 und dem Verbindungsstück 14 bzw. dem Verbindungsstück 14 und dem Ausleger 2, 3, 4 führen und könnten dort Beschädigungen hervorrufen. Zur Bewirkung einer geradlinigen Bewegung der Versenkeinheit 22 ist eine die hydraulischen Stellzylinder 17, 18, 19, 20 ansteuernde Steuereinheit vorgesehen, die die Hubwege der Stellzylinder 17, 18, 19, 20 beim Heben und Senken der Ver- senkvorrichtung 22 so aufeinander abstimmt, daß die Versenkvorrichtung 22 einen vorgegebenen Winkel gegenüber der Vertikalen oder der Bodenoberfläche beibehält und keiner Horizontalbewegung unterliegt. Dadurch ist gewährleistet, daß die Reibung zwischen der Versenkvorrichtung 22 sowohl beim Ein- bringen in den Boden als auch beim Herausziehen minimal wird und die Versenkvorrichtung 22 auch keiner Biegebelastung unterliegt. Beim Heben und Senken der Versenkeinheit 22 wird durch den Stellzylinder 20 über das Gelenk 16 der Winkel des Verbindungsstücks 14 gegenüber dem vorderen Tragglied 4 so eingestellt, dass die Versenkeinheit einen vorgegebenen Winkel gegenüber der Vertikalen oder der Waagrechten beibehält. Die Tragglieder 2, 3, 4 werden durch die Stellzylinder 17, 18, 19 so eingestellt, dass der Ansatzpunkt der Versenkeinheit 22 am Boden beim Heben und Senken unverändert bleibt.
Die Versenkvorrichtung 22 weist an einem oberen Ende einen Einfülltrichter zum Einfüllen des in den Boden einzubringenden Materials auf. Das Material gelangt über einen ersten Verschluß 6 in eine Schleusenkammer '15 und von dort über ei- nen zweiten Verschluß 7 über ein Materialförderrohr 10 an den Einsatzbereich des Materials an der Spitze der Versenkvorrichtung 22. Im unteren Bereich der Versenkvorrichtung befindet sich ein Tiefenrüttler 12 mit einer Rüttlerspitze 13, in die das Materialförderrohr 12 für den Materialaustritt mün- det . Das ausgetretene Material wird durch den Tiefenrüttler 12 verdichtet, wobei die Versenkeinheit 22 mit zunehmender Materialabgabe in die Öffnung durch den Ausleger 2, 3, 4 angehoben wird und dort eine verdichtete Materialsäule hinterläßt. Die Ausrichtung der Materialsäule entspricht der Aus- richtung der in den Boden eingebrachten Versenkeinheit 22. Neben senkrechten Säulen sind mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung Säulen unter einem nahezu beliebigen Winkel gegenüber der Bodenoberfläche erzeugbar.
Zwischen dem Tiefenrüttler 12 und der Schleusenkammer 15 ist ein Verlängerungsrohr 8 angeordnet, welches vorzugsweise in seiner Länge variabel ist. Die Längenverstellung erfolgt beispielsweise mittels eines Teleskopmechanismus. Die Versenkeinheit 22 darf beim Einbringen in den Boden eine maximale Länge, die durch die Länge des Auslegers 2, 3, 4 vorgegeben ist, nicht überschreiten, um ein senkrechtes Einbringen in den Boden zu ermöglichen. Die beschriebene Ausführungsform ermöglicht das Verlängerungsrohr 8 zu verkürzen, um ein Einbringen in den Boden zu ermöglichen und das Verlängerungsrohr 8 dann mit zunehmender Arbeitstiefe zu verlängern.
Vorzugsweise ist wenigstens eines der Tragglieder 2, 3, 4 in seiner Länge variabel, was den Einsatz einer längeren Versenkeinheit 22 und damit das Vordringen in größere Tiefen ermöglicht .
Zur Überwachung des Einfahrens und Herausfahrens der Versenkeinheit 22 in bzw. aus dem Boden ist vorteilhafterweise ein Neigungssensor in der Rütteleinheit 13 vorgesehen, der die Neigung der Versenkeinheit 22 gegenüber der Waagrechten oder Senkrechten erfaßt und der ein Sensorsignal bereitstellt, das der Steuereinheit des Gelenkauslegers 2, 3, 4 zuführbar ist. Weicht die Neigung des Versenkeinheit von einer vorgegebenen Neigung ab, wird der Gelenkauslegers 2, 3, 4 nachgeführt, um die vorgegebene Neigung beizubehalten.
Das Verbindungsstück 14 zwischen der Versenkeinheit 22 und dem Gelenkausleger 2, 3, 4 ist vorzugsweise vibrationsdämmend und weist wenigstens einen Kraftaufnehmer zur Erfassung von Torsionskräften und/oder Querkräften an der Verbindung zwi- sehen Verbindungsstück 14 und Gelenkausleger 2, 3, 4 auf.
Weicht die Versenkeinheit 22 beim Einfahren in den Boden von der vorgegebenen Richtung ab, wird der Gelenkausleger 22 so- lange in eine Richtung senkrecht zur Eindringrichtung nachgeführt, bis die gewünschte Eindringrichtung eingestellt ist. Hierbei unterliegt die Versenkeinheit 22 einer Biegebelastung, die an dem Verbindungsstück 14 Torsionskräfte oder senkrecht zu der Verbindungsfläche von Verbindungsstück 14 und Versenkeinheit 22 wirkende Querkräfte hervorruft. Diese Kräfte, die zu einer Beschädigung der Verbindung oder auch des Gelenkauslegers 2, 3, 4 führen können, werden durch die Kraftsensoren erfaßt. Durch die Kraftsensoren bereitgestellte Sensorsignale werden der Steuereinheit des Gelenkauslegers 2, 3, 4 zugeführt, wobei die Sensorsignale bei der Bewegung des Gelenkauslegers 2, 3, 4 berücksichtigt werden und wobei der Gelenkausleger 2, 3, 4 nur solange zur Korrektur der Eindringrichtung nachgeführt wird, solange die auftretenden Kräfte unterhalb eines zulässigen Maximalwerts liegen. Überschreiten die auftretenden Zwängungskräfte den zulässigen Wert wird der Versenkvorgang abgebrochen. Die Abweichung der Versenkeinheit 22 von der Ideallinie kann aus einem im Boden befindlichen Hindernis resultieren, das einen erneuten Ver- senkvorgang dann an einer benachbarten Stelle notwendig macht .
Neben einer Überwachung der auftretenden Kräfte bei der Richtungskorrektur des Auslegers 2 , 3 , 4 können die durch die Kraftsensoren erzeugten Sensorsignale auch dazu verwendet werden, die auftretenden Querkräfte so lange in einer Richtung senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung der Versenkeinheit 22 nachgeführt wird, bis die Querkräfte einen vorgegebenen Wert unterschreiten. Durch die Vermeidung zu großer Querkräfte soll eine Beschädigung der Verbindung zwischen
Ausleger 2, 3, 4 und Versenkeinheit 22, insbesondere im Bereich des Gelenks 16, durch das die Kraft von dem Verbindungsstück 14 auf den Ausleger 22 übertragen wird, verhindert werden. Die Querkräfte können beispielsweise durch Hindernis- se im Boden entstehen, die die Versenkeinheit 22 am Vordringen entlang einer gewünschten Ideallinie hindern. Zur optimalen Erfassung der Kräfte sind mehrere Kraftsensoren kreisförmig um die Versenkeinheit 22 im Bereich des Verbindungsstücks 14 angeordnet.
Figur 3 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Ansteuerung des Gelenkarms 2, 3, 4 zum Einfahren der Versenkeinheit 22 in den Boden und zum Herausfahren aus dem Boden, nachdem die Versenkeinheit 22 über der gewünschten Eindringstelle positioniert wurde. Eine Steuerein- heit 30 wirkt zur Bewegung des Gelenkauslegers 2, 3, 4 auf die hydraulischen Stellzylinder 17, 18, 19, 20. Die AnSteuerung der Stellzylinder 17, 18, 19, 20 erfolgt nach Maßgabe eines Steuersignals 34, das von einer Betätigungseinheit 32 zur Verfügung gestellt wird und das signalisiert, ob eine Auf- oder Abbewegung oder keine Bewegung der Versenkeinheit
22 erfolgen soll. Die Betätigungseinheit 32 kann dabei ein in Baggern üblicher Betätigungshebel sein. Unter Berücksichtigung der momentanen Stellung der Stellzylinder 17, 18, 19, 20 werden diese abhängig voneinander so angesteuert, daß die Versenkeinheit 22 linear in ihrer Längsrichtung verfahren wird. Ein Winkel, unter dem die Versenkeinheit 22 in den Boden eindringen soll, wird bei der Ansteuerung der Stellzylinder 17, 18, 19, 20 berücksichtigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden neben dem Ansteuersignal 34 Sensor- Signale 38 eines in der Rütteleinheit 13 angeordneten Neigungssensors 36 und ein Sensorsignal 42 wenigstens eines im Bereich des Verbindungsstücks 14 angeordneten Kraftaufnehmers 40 berücksichtigt. Zeigt das Sensorsignal 38 an, daß die Versenkeinheit 22 von der vorgegebenen Eindringrichtung abweicht werden die Stellzylinder 17, 18, 19, 20 so angesteuert, daß der Gelenkausleger 2, 3, 4 senkrecht zur Eindringrichtung nachgeführt wird. Dabei werden die auftretenden Kräfte zwischen dem Verbindungsstück 14 und der Versenkeinheit 22 überwacht und der Eindringvorgang bzw. eine weitere Bewegung der Stellzylinder abgebrochen, wenn das Sensorsignal 42 zu große Kräfte signalisiert. 12
Die Steuerung bzw. Regelung der Bewegung des Gelenakauslegers 2, 3, 4 abhängig von den Zwängungskräften bei Nachregelung der Eindringrichtung ist auch wichtig, um zu verhindern, daß das Verlängerungsrohr 8 über seine Biegefestigkeit bean- sprucht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht ein rationelles und im Vergleich zu bisherigen Vorrichtungen kostengünstiges und rationelles Vorgehen beim Einbringen von Fremdstoffen in den Boden oder zur Verdichtung des Bodens. Die Verwendung eines fahrbaren Hydraulikbaggers 1, an dessen Ausleger 2, 3, 4 die Versenkeinheit 22 angebracht ist ermöglicht in rationeller Weise hintereinander Arbeitsvorgänge an verschiedenen Stellen durchzuführen. Indem der Hydraulikbagger 1 mit einem Drehkranz ausgestattet ist und der Ausleger, beispielsweise durch eine Kugelgelenklagerung, seitlich schwenkbar ist, können Materialsäulen an benachbarten Stellen in den Boden eingebracht werden ohne daß der Bagger 1 verfahren werden muß. Der starre Ausleger 2, 3, 4 verhindert außerdem ein Pendeln der Versenkeinheit 22 beim Einbringen in den Boden.
Bezugszeichenliste
1 verfahrbares Baugerät
2 unteres Glied der Trageeinrichtung des Auslegers 3 mittleres Glied der Trageeinrichtung des Auslegers
4 oberes Glied der Trageeinrichtung des Auslegers
6 oberer Verschluss
7 unterer Verschluss
8 Verlängerungsrohr 10 Materialförderrohr
12 Arbeitsgerät (Tiefenrüttler)
13 Rüttlerspitze (Materialaustritt)
14 Verbindungsstück
15 Schleusenkammer 16 Gelenk
17 unterer Steilzylinder
18 mittlerer Steilzylinder
19 oberer Steilzylinder
20 Steilzylinder für Gelenk 22 Versenkeinheit
30 Steuereinrichtung 32 Betätigungselement 34 Steuersignal
36 Neigungssensor 38 Sensorsignal
40 Kraftaufnehmer 42 Sensorsignal

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Einbringen von Fremdstoffen in den Boden und/oder zur Verdichtung des Bodens mit einer einen Tie- fenrüttler (12) aufweisenden Versenkeinheit (22) , die an einen Gelenkausleger (2, 3, 4) angekoppelt ist, und mit einer Steuereinrichtung (30) , mittels der der Gelenkausleger (2, 3, 4) derart ansteuerbar ist, daß die Versenkeinheit (22) in einer vorgegebenen Richtung linear in ihrer Längsrichtung verfahrbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Versenkeinheit (12) wenigstens einen Neigungssensor (36) aufweist, wobei ein Sensorsignal (38) des Neigungssensors (36) der Steuereinheit (30) des Gelenkauslegers (2, 3, 4) zuführbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Versenkeinheit (22) durch ein Verbindungsstück (14) an den Gelenkausleger (2, 3, 4) gekoppelt ist und daß im Bereich des Verbindungsstücks (14) wenigstens ein Kraftsensor (40) zur Erfassung von Querkräften und/oder Tor- sionskräften zwischen dem Verbindungsstück (14) und der Versenkeinheit (22) angeordnet ist, wobei ein Sensorsignal (42) des Kraftsensors (40) der Steuereinrichtung (30) des Gelenkauslegers (2, 3, 4) zuführbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Gelenkarm (2, 3, 4) eine Anzahl Gelenke aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein elastisches Verbindungsstück zwischen dem Verbindungsstück (14) und der Versenkeinheit (22) und/oder zwischen dem Verbindungsstück (14) und dem Gelenkausleger (2, 3, 4) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Versenkeinheit (22) ein Verlängerungsrohr (8) aufweist, das, vorzugsweise teleskopartig, in seiner Länge variabel ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Gelenkausleger (2, 3, 4) Teil eines verfahrbaren Erdbaugeräts (1) ist, die einen verfahrbaren Oberwagen oder Drehkranz aufweist .
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Gelenkausleger (2, 3, 4) eine Anzahl Glieder (2, 3, 4) aufweist, von denen wenigstens eines mittels eines Teleskopmechanismus in der Länge variabel ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Versenkeinheit (22) eine MaterialZuführung mit einer Schlauchförderanordnung oder einer Bandförderanordnung aufweist .
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß wenigstens zwei Versenkeinheiten, vorzugsweise in dreieckiger, sternförmiger oder quadratischer Anordnung über das Verbindungsstück (14) an den Gelenkausleger (2, 3, 4) gekoppelt sind.
11. Verwendung eines Erdbaugeräts (1) mit einem Gelenkausleger (2, 3, 4) zum Einbringen eines Fremdstoffs in den Boden oder zum Verdichten des Bodens mittels einer an 10
dem Gelenkausleger (2, 3, 4) angeordneten, einen Tiefenrüttler (12) aufweisenden Versenkeinheit (22) .
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