EP1295994A2 - Verfahren zum Ermitteln der Lagerungsdichte - Google Patents

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EP1295994A2 EP02021013A EP02021013A EP1295994A2 EP 1295994 A2 EP1295994 A2 EP 1295994A2 EP 02021013 A EP02021013 A EP 02021013A EP 02021013 A EP02021013 A EP 02021013A EP 1295994 A2 EP1295994 A2 EP 1295994A2
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D1/00—Investigation of foundation soil in situ
    • E02D1/02—Investigation of foundation soil in situ before construction work
    • E02D1/022—Investigation of foundation soil in situ before construction work by investigating mechanical properties of the soil

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the storage density of the soil during soil improvement using Vibration pressure compression using a suitable computer or processor unit.
  • a deep vibrator is used an imbalance on a linkage rotating around a vertical axis hanging, if necessary with the addition of water and / or air, shaken into the ground and in increments of height mostly given size and in vibrating intervals in held at individual depths shaking.
  • the vibrator leads staggering movements around a zero point of motion, which is close to its elastic suspension on the frame, while the jogger tip is a circular path with maximum amplitude performs.
  • This soil improvement method is used in one upon request denser or further grid over a total area spread repeatedly executed to a desired To achieve load capacity of the soil and / or liquefaction conditions of the ground in the event of earthquakes. Problematic it is the result of the vibration compression to check. In previous practice it is assumed that monitoring power consumption and thus the soil compaction performance of the vibrator is sufficient Clue for the result of the compression work in the offers individual levels. Ultimate certainty about the achieved Storage density D are given here, for example CPTs. If the result is insufficient, the soil improvement method must be used through additional implementation of the Vibration compression, possibly after one of the first overlaid grid can be set, improved.
  • DE 198 59 962 A1 also describes a method at which the so-called lead angle between the phase position of the deep vibrator and the phase position of its unbalanced mass used as a parameter to determine the degree of compaction becomes.
  • a pulse generator is used on the vibrator to determine a zero position of the unbalance and at least two arranged in vertical planes perpendicular to each other Accelerometer provided.
  • DE 199 28 692 C1 describes a method for online compaction control known a deep vibrator, in which Soil dynamic parameters and the storage density of the Bottom from the measured values penetration depth of the vibrator, tilt angle the vibrator axis, lead angle of the unbalance and at least one horizontal deflection (amplitude) of the vibrator be determined.
  • One or more sensors should be used deliver the required measured values to the vibrator, the accelerometers and / or angle sensors and / or compasses and / or displacement transducers.
  • the present invention has for its object to control the bearing density online during the individual vibration intervals with reduced measurement effort in the vibration compression compression method of the type mentioned.
  • the solution to this is that the bearing density D is calculated from the amplitude s of the vibrator, taking into account voltage-dependent soil parameters, using the computer or processor unit. This considerably simplifies the required measurement, in particular the detection or calculation of the lead angle of the vibrator (phase position of the vibrator imbalance compared to the phase position of the vibrator jacket) is completely dispensed with. Rather, only the radial acceleration of the vibrator to determine the amplitude s of the vibrator, the rotational frequency n and the depth t of the vibrator.
  • a vibrator amplitude s which is detected at a suitable point on the vibrator between the vibrator tip and the zero point of motion of the vibrator, is essentially used as the only measurement variable to be recorded, provided that the vibrator speed n is recorded in each case with appropriate measuring technology on the drive motor , In this way, radial acceleration can , which can be measured using a single accelerometer attached to the vibrator, and the vibrator frequency or vibrator speed n, the vibrator amplitude s are determined, from which the bearing density D is then calculated according to the invention in the computer or processor unit.
  • a number of device parameters and a number of soil parameters that can be obtained from previous digestion holes must first be read into the computer or processor unit.
  • the storage density is a ratio value according to the above.
  • the determination of the bearing density is used primarily to limit the corresponding time Jogging intervals, d. H. if a given setpoint the Storage density is reached at the appropriate depth the respective jogging interval ends and the jogger by one predetermined height increment, in particular by 50 cm pulled up.
  • a predetermined circulation frequency for. B. 30 Hz, maintained, since an increasing compaction of the soil is assumed can be.
  • the rotation frequency should be changed, preferably to reduce.
  • a change in the circulation frequency n searched for and maintained a maximum of the amplitude s become.
  • the deep vibrator used for Carrying out the above method of accelerometers by half the step from the bottom Jogger tip is arranged away, especially around 25 cm with a step width of 50 cm.
  • the only drawing shows an example of one to perform suitable deep vibrator.
  • At 17 is the zero point of movement of the jogger, around which a wobble motion the vibrator axis takes place with low amplitudes s12 in the area of the elastic coupling 12 and with large amplitudes s 14 in the area of the vibrator tip 14.
  • Measured and in the above denoted by s is the amplitude in the range of Accelerometer 16.

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Lagerungsdichte D des Bodens während der Bodenverbesserung mittels Rütteldruckverdichtung, wobei ein Tiefenrüttler mit einer um eine vertikale Achse rotierenden Unwucht (15) an einem Gestänge (11) hängend, gegebenenfalls unter Zuführung von Wasser und/oder Luft, in den Boden eingerüttelt, in einzelnen Höhenschritten gezogen und in Rüttelintervallen in einzelnen Tiefenlagen rüttelnd gehalten wird und die Lagerungsdichte D aus der Amplitude s des Rüttlers unter Berücksichtung spannungsabhängiger Bodenkennwerte berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Lagerungsdichte des Bodens während der Bodenverbesserung mittels Rütteldruckverdichtung unter Verwendung einer geeigneten Rechner- bzw. Prozessoreinheit. Hierbei wird ein Tiefenrüttler mit einer um eine vertikale Achse rotierenden Unwucht an einem Gestänge hängend, gegebenenfalls unter Zuführung von Wasser und/oder Luft, in den Boden eingerüttelt und in Höhenschritten meist vorgegebener Größe gezogen und in Rüttelintervallen in einzelnen Tiefenlagen rüttelnd gehalten. Der Rüttler führt hierbei taumelnde Bewegungen um einen Bewegungsnullpunkt aus, der nahe seiner elastischen Aufhängung am Gestänge liegt, während die Rüttlerspitze eine Kreisbahn mit maximaler Amplitude ausführt. Dieses Bodenverbesserungsverfahren wird in einem je nach Anforderung dichteren oder weiteren Raster über eine Gesamtfläche verteilt wiederholt ausgeführt, um eine angestrebte Tragfähigkeit des Bodens zu erreichen und/oder Verflüssigungszustände des Bodens im Fall von Erdbeben zu behindern. Problematisch ist es hierbei, das Ergebnis der Rütteldruckverdichtung zu überprüfen. In der bisherigen Praxis wird davon ausgegangen, daß die Überwachung der Leistungsaufnahme und damit der Bodenverdichtungsleistung des Rüttlers einen hinreichenden Anhaltspunkt für das Ergebnis der Verdichtungsarbeit in den einzelnen Höhenstufen bietet. Letzte Sicherheit über die erreichte Lagerungsdichte D geben bisher hier beispielsweise Drucksondierungen. Bei unzureichendem Ergebnis muß das Bodenverbesserungsverfahren durch ergänzende Durchführungen der Rütteldruckverdichtung, die gegebenenfalls nach einem dem ersten überlagerten Raster gesetzt werden, nachgebessert werden.
In der DE 198 59 962 A1 wird daneben ein Verfahren beschrieben, bei dem der sogenannte Vorlaufwinkel zwischen der Phasenlage des Tiefenrüttlers und der Phasenlage seiner Unwuchtmasse als Kenngröße zur Bestimmung des Verdichtungsgrades herangezogen wird. Gerätetechnisch werden hierzu am Rüttler ein Impulsgeber zur Bestimmung einer Nullage der Unwucht und zumindest zwei in aufeinander senkrecht stehenden vertikalen Ebenen angeordnete Beschleunigungsaufnehmer vorgesehen.
Aus der DE 199 28 692 C1 ist ein Verfahren zur online-Verdichtungskontrolle eines Tiefenrüttlers bekannt, bei dem bodendynamische Kennwerte und daraus die Lagerungsdichte des Bodens aus den Meßwerten Eindringtiefe des Rüttlers, Verkippungswinkel der Rüttlerachse, Vorlaufwinkel der Unwucht und mindestens einer horizontalen Auslenkung (Amplitude) des Rüttlers ermittelt werden. Hierbei sollen ein oder mehrere Sensoren am Rüttler die erforderlichen Meßwerte liefern, die Beschleunigungsaufnehmer und/oder Winkelaufnehmer und/oder Kompasse und/oder Wegaufnehmer sein können.
Während bei der erstgenannten Schrift deutlich wird, daß der Vorlaufwinkel selber unmittelbar als signifikante Größe für den Verdichtungserfolg herangezogen wird, wird bei der zweitgenannten Schrift aus der genannten Anzahl von Meßwerten die Lagerungsdichte errechnet, wobei unklar bleibt, wie diese Meßwerte zur ebenfalls vorgenommenen Überwachung der Leistungsaufnahme des Rüttlers in Beziehung gesetzt werden sollen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Rütteldruckverdichtungsverfahren der eingangs genannten Art die Lagerungsdichte online während der einzelnen Rüttelintervalle mit verringertem Meßaufwand zu kontrollieren. Die Lösung hierfür besteht darin, daß die Lagerungsdichte D aus der Amplitude s des Rüttlers unter Berücksichtigung spannungsabhängiger Bodenkennwerte mittels der Rechner- bzw. Prozessoreinheit berechnet wird. Hiermit wird die erforderliche Messung wesentlich vereinfacht, insbesondere wird von der Erfassung oder Berechnung des Vorlaufwinkels des Rüttlers (Phasenlage der Rüttlerunwucht gegenüber Phasenlage des Rüttlermantels) vollständig abgesehen. Vielmehr wird nur die Radialbeschleunigung
Figure 00030001
des Rüttlers zur Bestimmung der Amplitude s des Rüttlers, die Umlauffrequenz n und die Tiefenlage t des Rüttlers gemessen. Damit wird eine Rüttleramplitude s, die an geeigneter Stelle des Rüttlers zwischen der Rüttlerspitze und dem Bewegungsnullpunkt des Rüttlers erfaßt wird, im wesentlichen als einzige zu erfassende Meßgröße herangezogen, wobei vorausgesetzt wird, daß die Rüttlerdrehzahl n in jedem Fall mit entsprechender Meßtechnik am Antriebsmotor erfaßt wird. Auf diese Weise kann aus der Radialbeschleunigung
Figure 00030002
, die über einen einzigen am Rüttler befestigten Beschleunigungsaufnehmer gemessen werden kann, und die Rüttlerfrequenz bzw. Rüttlerdrehzahl n die Rüttleramplitude s ermittelt werden, aus der dann die Lagerungsdichte D erfindungsgemäß in der Rechner- bzw. Prozessoreinheit berechnet wird. Eine Anzahl von Gerätekennwerten und eine Anzahl von Bodenkennwerten, die aus vorhergehenden Aufschlußbohrungen zu erhalten sind, sind in die Rechner- bzw. Prozessoreinheit zunächst einzulesen.
In konkreter Ausführung wird die Lagerungsdichte D als Funktion der tiefenabhängigen Horizontalspannung σH des Bodens und der Radialbeschleunigung
Figure 00040001
ermittelt (D = f(σH ,
Figure 00040002
). Hierbei wird vereinfacht davon ausgegangen, daß die Horizontalspannung des Bodens in der Horizontalebene der Rüttlerarbeit im wesentlichen richtungsunabhängig gleich ist. Hierbei wird die Horizontalspannung σH als Produkt aus der tiefenabhängigen Vertikalspannung σV und dem Erddruckbeiwert K0 berechnet (σH = K0 · σV). Hierbei kann wiederum gesagt werden, daß die Vertikalspannung σV des Bodens als Funktion von Lagerungsdichte D und Tiefenlage t ermittelt wird (σV = f (D, t)), so daß die Berechnung der Lagerungsdichte D mittels der Horizontalspannung durch Iteration erfolgen muß. Konkret kann die Vertikalspannung σV als Produkt aus Wichte γ und Tiefenlage t ermittelt werden (σV = γ t), wobei die Wichte eine Funktion der Lagerungsdichte D ist (γ = f (D)), so daß näher erkennbar wird, wie die Berechnung der Vertikalspannung σV durch Iteration erfolgen muß.
Der Erddruckbeiwert K0, der ebenfalls in die Berechnung der Horizontalspannung eingeht, ist als exponentiale Funktion der Lagerungsdichte D zu ermitteln (K0 = a · 10 b · D). Hiermit ist ein weiteres Auftreten der Lagerungsdichte D im Berechnungsansatz erkennbar, so daß auch unter diesem Gesichtspunkt das iterative Berechnen der Lagerungsdichte D erforderlich wird.
Während die Lagerungsdichte, die mit D = emax - eemax - emin definiert ist, wobei e die Porenzahl des Bodens, emax die maximale Porenzahl und emin die minimale Porenzahl ist, üblicherweise auf Werte der Porenzahlen an der Bodenoberfläche bezogen ist, ist das Ergebnis der Lagerungsdichte gemäß dem vorliegenden Verfahren spannungsabhängig normiert, d.h. die Berechnung der Lagerungsdichte bezieht sich auf maximale bzw. minimale Porenzahlen in entsprechender Tiefe. Die Lagerungsdichte ist gemäß vorstehendem ein Verhältniswert. Die Porenzahl e ist hierbei eine Funktion der Wichte γ [ e = f (γ) ].
Wie bei bisherigen Verfahren auch dient die Ermittlung der Lagerungsdichte vorrangig zur zeitlichen Begrenzung entsprechender Rüttelintervalle, d. h. wenn ein vorgegebener Sollwert der Lagerungsdichte in der entsprechenden Tiefe erreicht ist, wird das jeweilige Rüttelintervall beendet und der Rüttler um eine vorgegebene Höhenschrittweite, insbesondere um 50 cm, nach oben gezogen. Bei gleichbleibender oder sinkender Amplitude s wird eine vorgegebene Umlauffrequenz, z. B. 30 Hz, beibehalten, da von einer zunehmenden Verdichtung des Bodens ausgegangen werden kann. Nimmt jedoch die Amplitude s zu, so deutet dies auf eine Auflockerung des Bodens oder eine Resonanzerscheinung des Rüttler-Boden-Systems infolge des Rüttelns hin. In diesem Fall ist die Umlauffrequenz zu verändern, bevorzugt zu reduzieren. Alternativ kann über eine Veränderung der Umlauffrequenz n ein Maximum der Amplitude s gesucht und beibehalten werden.
Um einen signifikanten gemittelten Kennwert der Beschleunigungsmessung und damit der Amplitudenermittlung zu erhalten, wird vorgeschlagen, daß an dem verwendeten Tiefenrüttler zur Durchführung des obengenannten Verfahrens der Beschleunigungsaufnehmer um die Hälfte der Höhenschrittweite von der unteren Rüttlerspitze entfernt angeordnet wird, insbesondere also um 25 cm bei einer Höhenschrittweite von 50 cm.
Die einzige Zeichnung zeigt ein Beispiel eines zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Tiefenrüttlers. Hierbei sind ein Gestänge 11, eine elastische Kupplung 12 und ein Tiefenrüttler 13 gezeigt; an letzterem sind eine Unwucht 15 sowie ein Beschleunigsaufnehmer 16 markiert. Mit 17 ist der Bewegungsnullpunkt des Rüttlers angedeutet, um den eine Taumelbewegung der Rüttlerachse erfolgt, mit geringen Amplituden s12 im Bereich der elastischen Kupplung 12 und mit großen Amplituden s 14 im Bereich der Rüttlerspitze 14. Gemessen und im vorstehenden mit s bezeichnet ist die Amplitude im Bereich des Beschleunigungsaufnehmers 16.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Ermittlung der Lagerungsdichte D des Bodens während der Bodenverbesserung mittels Rütteldruckverdichtung,
    wobei ein Tiefenrüttler mit einer um eine vertikale Achse rotierenden Unwucht an einem Gestänge hängend, gegebenenfalls unter Zuführung von Wasser und/oder Luft, in den Boden eingerüttelt, in einzelnen Höhenschritten gezogen und in Rüttelintervallen in einzelnen Tiefenlagen rüttelnd gehalten wird und
    die Lagerungsdichte D aus der Amplitude s des Rüttlers unter Berücksichtung spannungsabhängiger Bodenkennwerte berechnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Umlauffrequenz n und die Tiefenlage t des Rüttlers gemessen werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Radialbeschleunigung
    Figure 00070001
    des Rüttlers zur Bestimmung der Amplitude s des Rüttlers unmittelbar gemessen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Lagerungsdichte D als Funktion der tiefenabhängigen Horizontalspannung σH des Bodens und der Radialbeschleunigung
    Figure 00080001
    des Rüttlers ermittelt wird [ D = f(σH ,
    Figure 00080002
    ) ].
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Horizontalspannung σH als Produkt aus der tiefenabhängigen Vertikalspannung σV und dem Erddruckbeiwert K0 berechnet wird [ σH = K0 · σV ].
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Vertikalspannung σV des Bodens als Funktion von Lagerungsdichte D und Tiefenlage t ermittelt wird [ σV = f (D, t) ], so daß die Berechnung der Lagerungsdichte D durch Iteration erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Vertikalspannung σV als Produkt aus Wichte y und Tiefenlage t ermittelt wird [σV = γ t) ], wobei die Wichte γ eine Funktion der Lagerungsdichte D ist [ γ = f (D) ], so daß die Berechnung der Vertikalspannung σV durch Iteration erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der Erddruckbeiwert K0 als exponentiale Funktion der Lagerungsdichte D ermittelt wird [K0 = a · 10 b · D ], so daß die Berechnung der Lagerungsdichte D durch Iteration erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Lagerungsdichte, die mit D = emax - eemax - emin definiert ist, wobei e die Porenzahl, emax die maximale Porenzahl und emin die minimale Porenzahl ist, mit spannungsabhängigen Werten für emax und emin berechnet wird, wobei e eine Funktion der Wichte γ ist [ e = f (γ) ].
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Rüttler bei gleichbleibender oder sinkender Amplitude s mit konstanter Umlauffrequenz n angetrieben wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Rüttler bei Zunahme der Amplitude s mit reduzierter Umlauffrequenz n angetrieben wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem über eine Veränderung der Umlauffrequenz n ein Maximum der Amplitude s gesucht und eingestellt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Rüttelintervalle in Abhängigkeit vom Erreichen eines Sollwertes für die Lagerungsdichte D beendet werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Beschleunigungsaufnehmer (16) um die Hälfte der Höhenschrittweite von der unteren Rüttlerspitze (14) entfernt angeordnet wird, insbesondere um 25 cm bei einer Höhenschrittweite von 50 cm.
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