EP1939360B1 - Verfahren und Anordnung zum Einbringen von langgestreckten Profilen in einen Baugrund - Google Patents

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EP1939360B1
EP1939360B1 EP07024926A EP07024926A EP1939360B1 EP 1939360 B1 EP1939360 B1 EP 1939360B1 EP 07024926 A EP07024926 A EP 07024926A EP 07024926 A EP07024926 A EP 07024926A EP 1939360 B1 EP1939360 B1 EP 1939360B1
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EP
European Patent Office
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section
measured
profile
during
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EP07024926A
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EP1939360A1 (de
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Jürgen Univ.-Prof.. Dr.-Ing. Grabe
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Technische Universitaet Hamburg Harburg
Tutech Innovation GmbH
Original Assignee
Technische Universitaet Hamburg Harburg
Tutech Innovation GmbH
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
    • E02D5/22—Piles
    • E02D5/24—Prefabricated piles
    • E02D5/28—Prefabricated piles made of steel or other metals
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/02—Placing by driving
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for introducing elongate profiles, in particular precast piles, with a head end and a foot in a ground, wherein the profile is exposed at its head end ramming and / or vibration with a ballast and an arrangement for introducing profiles, in particular precast piles , in a ground, with a feeding device in the form of a piling or vibration device and at least one introduced into the ground profile with a head end and a foot end.
  • Elongated profiles are used in the form of piles, especially precast piles, for the founding of structures, if the ground is not sufficiently sustainable for a surface foundation. Furthermore, elongated profiles are used as sheet pile walls for vertical separation in buildings, including hydraulic structures.
  • a related to the preamble of claim 1 prior art is known from DE 196 31 992 B4 known. From this it is known that vibrating bears which can be placed on the subsoil can have a vibrator whose vibration amplitude can be adjusted during operation and the vibration amplitude and vibration frequency are detected by a sensor. However, the measurements on the vibratory bear can not provide any relevant data on the dynamic loading of the profile during the insertion process and the static support function of the profile, since a direct coupling of the vibration bear profile is not possible. In addition, the sensor detects only the vibration amplitude and frequency, which can be derived no specific dynamic stress.
  • a method according to DE 195 32 931 A1 relates to verifying the achieved load of a pile element by means of static load capacity measurement after the insertion process.
  • the load capacity measurement is recorded by means of high-precision settlement sensor in the form of force-settlement curves.
  • a dynamic load is not measured on the profile.
  • the DE 197 40 800 B4 describes a method for placing planks in soil, in which a thixotropic bentonite suspension serves as a lubricating and rinsing agent, wherein a permanent computer-controlled control of the emitted vibrations takes place via permanent measuring points.
  • the JP 61 142216 A discloses an arrangement for measuring acceleration during the insertion process of a pile. This serves to detect the kinetic load bearing capacity which is introduced to the pile during the insertion process.
  • the JP 63 073128 A discloses an arrangement with an acceleration sensor on a pile to be driven, the pile with a ram-like construction is introduced.
  • the acceleration is measured at the stake, this signal is processed accordingly.
  • the processed results are stored in a memory and converted by means of an analog-to-digital converter and integrated thereupon. This results in the speed, which in turn is stored. From the speed, the deflection is recalculated by re-integration. From this it is finally possible to calculate the dynamic force assistance during the introduction process.
  • the US 5,725,329 A discloses a device for introducing or extracting piles in or from a substrate, for which purpose a linear vibration device is provided.
  • the overall arrangement acts in accordance with a vibrator, so as to shake a sheet pile example in the underground.
  • an acceleration sensor is known, which is connected to a control unit, wherein the control unit controls the strength of the vibration or the frequency of the vibration.
  • the execution control apparatus is provided with an acceleration sensor, a strain sensor, a distance measuring target, a range finder, and an SS signal transmitter located at or around a pile pile, and an SS signal receiver and a computing unit housed in one are arranged from the pile office remote office. By means of the signals detected by the sensors, the load capacity of the pile is calculated.
  • the sensors measure strains and compressions as well as accelerations, which are calculated in a control unit as a means for controlling the introduction device in the form of an evaluation directly in real time.
  • a procedure of CASE or KOLYMBAS is used, which until now has only been used as part of the pile acceptance test as a dynamic test load for completely installed profiles.
  • the static load bearing capacity is calculated from the dynamic measurements in real time and these values are compared with a second limit value indicating the required static load carrying capacity of the profile when the dynamically measured static load capacity calculated in real time exceeds the second limit.
  • a termination criterion of the introduction process is specified.
  • the insertion process can be controlled gently for the profile to be introduced during the insertion process from the measured values of the dynamic load directly on the profile. Furthermore, the measurement data provide information that can be derived simultaneously for testing the static support function during the introduction process. As a result of the measured values acquired simultaneously during the introduction process, the introduction parameters can thus be regulated and a termination criterion can be determined.
  • this is achieved by arranging one or more sensors directly on the profile for measuring the dynamic loading of the profile during insertion, wherein means for controlling the introduction device are provided depending on the measurement results, wherein the sensor (s) close to the head end of the profile, at a distance below the head end of about three times the cross-sectional dimension of the profile.
  • the sensors are immediately after the introduction of the profile in the access area. After completion of the Einbringvorganges the sensors can thus be removed easily and attached to the next profile. This arrangement is suitable with the ever-present access lines for rough use on construction sites.
  • a maximum load of the profile is specified as the first limit value, which is constantly compared with the measured dynamic load, and when the first limit value is exceeded the instantaneous load during the insertion process is reduced.
  • the load during the introduction process for example, the height of a pile, the pile mass itself or by the pulse strength in hydraulic or pneumatic hammers, Vibrationseinbringbacter the frequency of an imbalance, the imbalance torque and / or load, gradually increased until the first limit at the measured dynamic stress is reached again.
  • This scheme seeks to achieve a maximum feed rate while respecting a maximum allowable dynamic load for the profile.
  • At least one transducer is a strain gauge
  • strain / strain on the surface of the profile can be measured to determine the dynamic stress on the profile.
  • the expansions or compressions occurring at the installation site of the sensor on the profile are thus detected during the insertion process.
  • at least one transducer is an accelerometer
  • accelerations on the profile are measured to determine the dynamic stress on the profile.
  • Both the strain gauges as well as the accelerometer should be aligned with their measuring direction parallel to the direction of insertion of the profile, since in this spatial component, the largest accelerations and the original strains / compressions occur.
  • other components of the expansions or accelerations can also be detected.
  • Device parameters that have an influence on the load during the insertion process are in the ramming the height of fall of the pile, and possibly the pile mass itself or in hydraulic or pneumatic hammers the pulse strength.
  • these are the frequency of the unbalance, the imbalance torque and the load.
  • these device parameters are constantly adapted during insertion so that damage to the profile itself is ruled out, the introduction then ends as soon as the pile has sufficiently engaged and thus has reached its static support function and the introduction takes place in such a way that damage to the environment is prevented becomes.
  • Fig. 1 is shown in a vertical section an already partially introduced into a ground B profile 1 in the form of a precast pile.
  • the precast pile 1 has an elongated profiled body 10, which has essentially the same cross section over its longitudinal extension, with a lower foot end 12 and a head end 11.
  • the ground B consists of an upper, relatively densely supported layer B 1 , an underlying soft layer B 2 , an underlying gravel or debris layer B 3 of small thickness and an underlying load-bearing layer B 4 , in which also planned target depth for the precast pile 1 is.
  • a piling device 2 In order to introduce the precast pile 1 in the ground B, according to the embodiment Fig. 1 a piling device 2 is used.
  • the piling device 2 has a ramming mass 21, which is guided vertically guided to a free fall height h. From this height h then the ramming mass 21 is guided in free fall on the head end 11 of the precast pile 1. At the head end 11 thus takes place the load introduction of each ram beat.
  • the sensors 4 are attached outside the precast pile 1 sensors 4 are attached.
  • the sensors 4 are removed from the head end 11 of the precast pile 1 by about three times the dimensional cross-section of the profile body 10.
  • the Mossaufillon 4 are formed in the form of a strain gauge 41 and an accelerometer 42.
  • the strain gauge 41 detects strains / compressions in the insertion direction (Z direction).
  • the accelerometer 42 detects accelerations acting in the Z direction.
  • a geophone 43 for detecting the vibrations in the vicinity of the insertion point is arranged on the surface of the ground B.
  • a control unit 5 with a data acquisition and evaluation unit 50 is provided. From the strain gauge 41, accelerometer 42 and geophone 43 effective lines 44 are provided to the evaluation unit 50. From the control unit 5, an active line 51 leads to the piling device 2, which regulates there the free fall height h as a function of the measured and processed values from the strain gauge 41, the acceleration transducer 42 and the geophone 43.
  • the piling device 2 is started by the control unit 5 after setting up and aligning the profile 1 to be introduced.
  • the Einbrihgvorgang can start with a mean drop height h or be increased immediately starting with a smaller drop height. If the limit values stored in the control unit, namely first limit value for the maximum load of the profile to be introduced, second limit value for the required embedment depth and third limit for the maximum vibrations occurring in the environment is not exceeded, the fall height h is increased in each case for the next heat. As soon as one or more of the three limit values are reached, the drop height is not further increased or, if at least one limit value is exceeded, reduced again or the introduction process is ended.
  • the introduction process is controlled automatically, with a maximum Rammfort Kunststoff is achieved while avoiding unacceptable compressive or tensile stresses in the profile.
  • the insertion process is also aborted, since the required static support function of the profile 1 is then achieved on the basis of the measured values of the sensors 4 and the real-time evaluation of the measured values according to the method of CASE or KOLYMBAS.
  • Another introduction of the profile 1 would mean a not necessary pile depth, meaning unnecessary costs. The control can prevent damage and excessive damage.
  • a vibrating device 3 for introducing the precast pile 1 in the ground B is shown.
  • Functionally matching components are given the same reference numerals as for the embodiment according to Fig. 1 designated.
  • the vibration device 3 has at least one imbalance 31, which transmits a vibration to the head end 11 of the profile 1, usually hydraulically driven.
  • a static load F stat which can initiate the periodic vibration generated by the imbalance 31 in the precast pile 1.
  • the control unit 5 associated data acquisition and evaluation unit 50 detects and in turn processed by the sensors, namely strain gauges 41 and accelerometer 42 and additional geophone 43 recorded signals to adjust in the control unit 5, the dynamic stress of the profile 1.
  • Controlled variables are the frequency of the unbalance ⁇ , which can be adjusted by the rotational speed of the electric motor of the unbalance 31, the unbalance torque m, which can be adjusted in particular by changing the radial distance of the unbalanced mass to its axis of rotation, and the static load F stat , the can be adjusted by a weight change and / or hydraulic Auflastabstützung.
  • the dynamic load during the insertion process is adapted to the respective situation in the ground B on the basis of measured values detected by strain gages 41 and accelerometer 42 with real-time evaluation in the evaluation unit 50 and control unit 5.
  • the control unit 5 the controlled variable static force F stat , unbalance frequency ⁇ and / or unbalance moment m changed accordingly.
  • Damage to the profile during insertion can be avoided with the method and arrangement according to the invention for introducing elongate profiles. Furthermore, the introduction can be terminated as soon as the profile fulfills its static support function. The introduction process is nevertheless carried out at maximum introduction speed, resulting in a total of high quality and cost-effectiveness. The expense of attaching and cabling the sensors to the profile to be introduced is considered to be low compared to improvements in quality and cost-effectiveness. The regulation for the introduction process thus also allows a full or partial automation, which should bring further quality improvement and production increase.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von langgestreckten Profilen, insbesondere Fertigteilpfählen, mit einem Kopfende und einem Fußende in einen Baugrund, wobei das Profil an seinem Kopfende Rammschlägen und/oder Vibrationen mit einer Auflast ausgesetzt wird und eine Anordnung zum Einbringen von Profilen, insbesondere Fertigteilpfählen, in einen Baugrund, mit einer Einbringvorrichtung in Form einer Ramm- oder Vibrationsvorrichtung sowie wenigstens einem in den Baugrund einzubringenden Profil mit einem Kopfende und einem Fußende.
  • Langgestreckte Profile werden in Form von Pfählen, insbesondere Fertigteilpfählen, zur Gründung von Bauwerken eingesetzt, wenn der Baugrund für eine Oberflächengründung nicht ausreichend tragfähig ist. Ferner werden langgestreckte Profile als Spundwände zur vertikalen Abtrennung bei Bauwerken, auch Wasserbauwerken, verwendet.
  • Das Einbringen dieser langgestreckten Profile in den Baugrund erfolgt im Wesentlichen durch Rammen oder Vibrieren. Zwar haben Betonfertigteilpfähle durch ihre Vorfertigung im Betonwerk eine gleichmäßig hohe Qualität, gleichwohl treten beim Einbringen in den Baugrund erhebliche Kräfte im Pfahl auf. Ebenso weisen zwar Spundwandprofile eine hohe elastische Festigkeit auf, gleichwohl tritt bei erhöhter Schlossreibung zweier ineinander gekoppelter Profile die Gefahr einer Schlosssprengung auf. Bei dicht gelagerten Schichten erhöht sich die Spitzenbelastung am Profil erheblich. Schichten aus Kies, Steinen oder Blöcken bilden ebenfalls ein starkes Hindernis. Treten weiche Schichten unter dicht gelagerten Schichten auf, besteht die Gefahr von übermäßigen Zugspannungen im Profil während der Einbringung. Singuläre Ereignisse im Untergrund, wie beispielsweise Findlinge oder alte Bausubstanz wie Kanäle, Tunnel, Bunker oder dergleichen führen zu plötzlich auftretenden Punktlasten, die häufig zu einer Zerstörung des einzubringenden Profils führen.
  • Bisher erfolgt eine Anpassung der Parameter zum Einbringen der Profile lediglich intuitiv durch den Geräteführer der Einbringvorrichtung. Bei einer Rammvorrichtung wird vom Geräteführer die Fallhöhe des Rammgewichts nach seinen Erfahrungen und den Vorgaben der Bauleitung gewählt. Die Unversehrtheit des Profils wird nach dem Einbringen meist nicht geprüft.
  • Ferner ist insbesondere bei Pfählen mit Pfahlaufweitungshülse gemäß deutscher Patentanmeldung 10 2005 029 364 ein die aufweitbare Hülse schonende Einbringung bis zur gewünschten Solltiefe zwingend erforderlich, um ein vorzeitiges Spreizen der Pfahlaufweitungshülse sicher zu vermeiden.
  • Im Stand der Technik ist es bekannt, stichprobenartig mittels dynamischer Integritätsprüfung nach Fertigstellung des Einbringvorganges das eingebrachte Profil zu prüfen. Bei einer Spundwandherstellung kann unter günstigen Bedingungen aus den Rammprotokollen eine Schlosssprengung erkannt werden.
  • Bei einer nachträglichen Abnahmeprüfung eines eingebrachten Pfahls kann dann zwar festgestellt werden, ob das Profil die geforderte Tragfunktion erzielt, jedoch kann sich dabei herausstellen, dass der Pfahl noch tiefer gerammt werden muss oder im anderen Fall, der Pfahl unnötig tief gerammt worden ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Baugrund häufig starken räumlichen Schwankungen in seiner Art, Zusammensetzung und seinen physikalischen Eigenschaften unterliegt, die im Rahmen der Baugrunderkundung nicht zutreffend erfasst werden können.
  • Für die statische Tragfähigkeit eines eingebrachten Profils sind lediglich empirisch abgeleitete Rammformeln auf der Basis der letzten Hitzen (Rammschläge) bekannt. Für die Einbringung mittels Vibration gibt es hingegen keine Kriterien, mit denen auf die statische Tragfähigkeit derartig eingebrachter Profile geschlossen werden kann.
  • Ein den Oberbegriff des Anspruchs 1 betreffender Stand der Technik ist aus der DE 196 31 992 B4 bekannt. Daraus ist es bekannt, dass auf in den Baugrund einzubringende Profile aufsetzbare Vibrationsbären einen Vibrator aufweisen, dessen Vibrationsamplitude während des Betriebes verstellbar ist und die Vibrationsamplitude und Vibrationsfrequenz mit einem Sensor erfasst wird. Die Messungen am Vibrationsbären können jedoch keine einschlägigen Daten über die dynamische Belastung des Profils beim Einbringvorgang sowie die statische Tragfunktion des Profils liefern, da eine unmittelbare Ankopplung des Vibrationsbären am Profil nicht möglich ist. Darüber hinaus erfasst der Sensor lediglich nur die Vibrationsamplitude und -frequenz, woraus sich keine konkrete dynamische Beanspruchung herleiten lässt.
  • Ferner ist aus der DE 699 08 781 T2 eine Unterwasserpfahlrammanlage bekannt, die in dem Rammwerkzeug an der Oberseite der zum Werkzeug gehörenden Pfahlkappe einen Beschleunigungsmesser und eine Kraft-Messdoseninstrumentenscheibe aufweist. Die Pfahlkappe ist zur Übertragung des Rammimpulses in den einzurammenden Pfahl einführbar. Dabei gehört die Pfahlkappe zum Werkzeug, so dass die dynamischen Belastungen des einzurammenden Pfahls nur mittelbar über die bedingt zu gewährleistende Kopplung des Rammwerkzeugs auf dem einzurammenden Pfahl erfasst werden könnten. Präzise Aussagen über die dynamische Beanspruchungen des einzurammenden Pfahls während des Einbringvorgangs können mit dieser Anordnung nicht erreicht werden.
  • Ferner ist in der DE 694 20 050 T3 eine Pfahlramme sowie ein Verfahren angegeben, bei dem eine genaue Positionsbestimmung des Schlaghammers zum Moment der Berührung mit dem einzubringenden Profil eine verbesserte Überwachung des Einbringvorganges ermöglichen soll. Dabei wird ein Lasermessinstrument zur Lagebestimmung verwendet.
  • Ein Verfahren gemäß DE 195 32 931 A1 betrifft das Verifizieren der erreichten Traglast eines Pfahlelementes mittels statischer Tragfähigkeitsmessung nach dem Einbringvorgang. Die Tragfähigkeitsmessung wird mittels hochpräziser Setzungsgeber in Form von Kraft-Setzungs-Kurven aufgenommen. Eine dynamische Beanspruchung wird dabei am Profil nicht gemessen.
  • Die DE 197 40 800 B4 beschreibt ein Verfahren zum Einbringen von Bohlen in Erdreich, bei dem eine thixotrope Bentonit-Suspension als Schmier- und Spülmittel dient, wobei eine permanente rechnergesteuerte Kontrolle der emittierten Schwingungen über Dauermessstellen erfolgt.
  • Die JP 61 142216 A offenbart eine Anordnung zum Messen einer Beschleunigung während des Einbringvorganges eines Pfahls. Dies dient zur Detektion der kinetischen Tragkraft, die während des Einbringvorganges auf den Pfahl eingebracht wird. Die Übertragung der Signale von dem Kopf des Pfahls, an dem die entsprechenden Sensoren befestigt sind, erfolgt über eine Funkstrecke. Nach Empfang der entsprechenden Signale werden diese in digitale Signale umgewandelt und mithilfe einer Recheneinheit umgerechnet. Hierzu wird die Beschleunigung zweifach integriert um die entsprechende Auslenkung zu erhalten. Aus der Auslenkung wird entsprechend die kinetische Tragkraft berechnet.
  • Die JP 63 073128 A offenbart eine Anordnung mit einem Beschleunigungssensor an einem einzutreibenden Pfahl, wobei der Pfahl mit einer rammähnlichen Konstruktion eingebracht wird. Hierzu wird die Beschleunigung am Pfahl gemessen, wobei dieses Signal entsprechend verarbeitet wird. Die verarbeiteten Ergebnisse werden in einem Speicher gespeichert und mittels eines Analog-Digital-Wandlers umgewandelt und darauf hin integriert. Hieraus resultiert die Geschwindigkeit, die wiederum gespeichert wird. Aus der Geschwindigkeit wird durch erneute Integration die Auslenkung entsprechend berechnet. Hieraus lässt sich abschließend die dynamische Kraftunterstützung während des Einbringvorganges berechnen.
  • Die US 5,725,329 A offenbart eine Vorrichtung zum Einbringen oder Herausziehen von Pfählen in bzw. aus einem Untergrund, wobei hierzu eine Linearvibrationseinrichtung vorgesehen ist. Die Gesamtanordnung fungiert hierbei entsprechend eines Rüttlers, um so eine beispielsweise Spundwand in den Untergrund einzurütteln. Hierbei ist insbesondere ein Beschleunigungssensor bekannt, der mit einer Steuereinheit verbunden ist, wobei die Steuereinheit die Stärke der Vibration bzw. die Frequenz der Vibration kontrolliert.
  • Weiter ist aus der JP 11-209978 eine Vorrichtung zur Ausführungskontrolle von Pfahlrammen bekannt, durch die die Eindringungstiefe und die Tragfähigkeit des Pfahls in Echtzeit gesteuert werden können. Die Vorrichtung zur Ausführungskontrolle ist mit einem Beschleunigungssensor, einem Dehnungssensor, einem Ziel zur Entfernungsmessung, einem Entfernungsmesser, und einem SS-Signalsender, die an einer Pfahlrammstelle oder an deren Umgebung angeordnet sind, sowie einem SS-Signalempfänger und einer Recheneinheit versehen, die in einer von der Pfahlrammstelle entfernten Bürostelle angeordnet sind. Mittels der durch die Sensoren erfassten Signale wird die Tragfähigkeit des Pfahls errechnet.
  • Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, Beschädigungen am einzubringenden Profil während des Einbringvorgangs zu vermeiden und Feststellungen treffen zu können, wann die mindestens erforderliche statische Tragfunktion des Profils erreicht wird.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Anordnung gemäß Anspruch 8.
  • Die Messaufnehmer messen Dehnungen und Stauchungen sowie Beschleunigungen, die in einer Regeleinheit als Mittel zur Regelung der Einbringvorrichtung in Form einer Auswertung unmittelbar in Echtzeit berechnet werden. Bei der Auswertung wird dabei auf ein Verfahren von CASE oder KOLYMBAS zurückgegriffen, das bisher nur im Rahmen der Pfahlabnahme als dynamische Probebelastung von fertig installierten Profilen eingesetzt wird. Eine zusammenfassende Darstellung ist in Grabe J. und Schuler U. (1991), Geotechnik, Technischer Bericht, Heft 1/1991 veröffentlicht.
  • Während des Einbringvorgangs wird aus den dynamischen Messwerten in Echtzeit die statische Tragfähigkeit berechnet und diese Werte mit einem zweiten Grenzwert, der die erforderliche statische Tragfähigkeit angibt, verglichen, wobei der Einbringvorgang des Profils beendet wird, wenn die dynamisch gemessene und in Echtzeit berechnete statische Tragfähigkeit den zweiten Grenzwert überschreitet. Somit wird ein Abbruchkriterium des Einbringvorganges vorgegeben. Während des Einbringvorganges in Echtzeit wird fortlaufend über die Auswertung der gemessenen dynamischen Beanspruchung, nämlich der Dehnungen und Stauchungen sowie der Beschleunigungen und daraus abgeleiteten Geschwindigkeiten, am einzubringenden Profil die nach CASE oder KOLYMBAS berechnete statische Tragfähigkeit mit der erwünschten zu erreichenden Tragfähigkeit (zweiter Grenzwert) verglichen. Somit ist ein zuverlässiges Kriterium geschaffen, bei dem der Einbringvorgang beendet wird, sobald das eingebrachte Profil seine Funktion erfüllen kann, nämlich seine mindestens erforderliche statische Tragfähigkeit erreicht hat. Um eine Mindesteindringtiefe des Profils zu erreichen, kann ergänzend noch eine vorbestimmte Eindringtiefe des Profils vorgegeben werden, ab der dann erst der zweite Grenzwert mit der gemessenen dynamischen Beanspruchung verglichen wird.
  • Dadurch, dass beim Einbringvorgang die dynamische Beanspruchung unmittelbar am Profil gemessen wird und aus der gemessenen dynamischen Beanspruchung Regelgrößen für den Einbringvorgang hergeleitet werden, kann während des Einbringvorgangs aus den Messwerten der dynamischen Beanspruchung direkt am Profil der Einbringvorgang schonend für das einzubringende Profil geregelt werden. Ferner liefern die Messdaten Informationen, die zur Prüfung der statischen Tragfunktion beim Einbringvorgang simultan abgeleitet werden können. Durch die beim Einbringvorgang simultan erfassten Messwerte können somit die Einbringparameter geregelt sowie ein Abbruchkriterium ermittelt werden.
  • Vorrichtungsgemäß wird dies so gelöst, dass ein oder mehrere Messaufnehmer direkt am Profil zum Messen der dynamischen Beanspruchung des Profils beim Einbringen angeordnet sind, wobei Mittel zur Regelung der Einbringvorrichtung in Abhängigkeit der Messergebnisse vorgesehen sind, wobei der/die Messaufnehmer nahe am Kopfende des Profils, in einem Abstand unterhalb des Kopfendes von etwa der dreifachen Querschnittsdimension des Profils, angeordnet sind. Hierdurch können Beschädigungen der Aufnehmer durch die unmittelbare Beanspruchung an der Lasteinleitung (Aufschlag des Rammgewichtes auf das Kopfende) verhindert werden. Gleichwohl sind die Messaufnehmer unmittelbar auch nach dem Einbringen des Profils im Zugriffsbereich. Nach Beendigung des Einbringvorganges können die Messaufnehmer somit ohne großen Aufwand entfernt und am nächsten Profil befestigt werden. Diese Anordnung eignet sich mit den stets im Zugriff befindlichen Wirkleitungen für den rauen Einsatz auf Baustellen.
  • Um eine Beschädigung des einzubringenden Profils zu vermeiden, wird als erster Grenzwert eine maximale Beanspruchung des Profils vorgegeben, der ständig mit der gemessenen dynamischen Beanspruchung verglichen wird, wobei bei Überschreiten des ersten Grenzwertes die momentane Belastung beim Einbringvorgang verringert wird. Nachfolgend kann die Belastung beim Einbringvorgang, beispielsweise die Fallhöhe einer Rammmasse, die Rammmasse selbst oder durch die Impulsstärke bei hydraulischen oder pneumatischen Hämmern, bei Vibrationseinbringverfahren die Frequenz einer Unwucht, das Unwuchtmoment und/oder die Auflast, schrittweise gesteigert werden, bis der erste Grenzwert bei der gemessenen dynamischen Beanspruchung wieder erreicht wird. Mit dieser Regelung wird versucht, eine maximale Einbringgeschwindigkeit unter Beachtung einer maximal zulässigen dynamischen Beanspruchung für das Profil zu erreichen.
  • Wenn wenigstens ein Messaufnehmer ein Dehnungsmessstreifen ist, können zur Bestimmung der dynamischen Beanspruchung am Profil Dehnungen/ Stauchungen an der Oberfläche des Profils gemessen werden. Die am Installationsort des Messaufnehmers am Profil auftretenden Dehnungen bzw. Stauchungen werden somit während des Einbringvorgangs erfasst. Wenn wenigstens ein Messaufnehmer ein Beschleunigungsaufnehmer ist, werden zur Bestimmung der dynamischen Beanspruchung am Profil Beschleunigungen am Profil gemessen. Somit werden die am Messort auftretenden Beschleunigungen sicher erfasst. Sowohl der Dehnungsmessstreifen wie auch der Beschleunigungsaufnehmer sollten mit ihrer Messrichtung parallel zur Einbringrichtung des Profils ausgerichtet werden, da in dieser räumlichen Komponente die größten Beschleunigungen sowie auch die originären Dehnungen/Stauchungen auftreten. Selbstverständlich können auch noch weitere Komponenten der Dehnungen bzw. Beschleunigungen erfasst werden.
  • Wenn die Dehnungen/Stauchungen und/oder Beschleunigungen am Kopfende des Profils gemessen werden, sind Wirkverbindungen (Kabel) zwischen einer Auswerte- und Regeleinheit und dem einzubringenden Profil lediglich am Kopfende anzubringen, so dass kostenaufwendige Sonderkonstruktionen für die einzubringenden Profile entbehrlich sind. Selbstverständlich können auch Messaufnehmer innerhalb des Profils oder auch am Fußende vorgesehen werden, um eine noch umfassendere Analyse der am Profil wirkenden Belastungen zu erreichen. Aufgrund des erheblichen Installationsaufwandes für solcher Art gewählten Messaufnehmerpositionen, dürfte dies nur bei besonders kritischen Anwendungen sinnvoll sein.
  • Ergänzend können zur Vermeidung von möglichen Schäden in der Umgebung durch zu große Erschütterungen und/oder Sackungen ein odere mehrere Geophone an der Oberfläche des Baugrundes in der Umgebung des einzubringenden Profils sowie an Gebäuden, insbesondere Außenmauern, Decken oder dergleichen, angeordnet sein, die die Erschütterungen beim Einbringvorgang erfassen. Dadurch, dass Erschütterungen beim Einbringvorgang an der Oberfläche des Baugrundes und/oder an Gebäuden in der Umgebung des Profilstandortes gemessen werden und als dritter Grenzwert eine maximale Erschütterungsamplitude vorgegeben wird, die ständig mit der gemessenen Erschütterung verglichen wird und bei Überschreiten des dritten Grenzwertes die momentane Belastung beim Einbringvorgang verringert wird, werden die Geräteparameter der Einbringvorrichtung entsprechend angepasst, also beispielsweise bei einer Rammvorrichtung die Fallhöhe des Rammgewichts verringert. Nachfolgend wird die Fallhöhe wieder erhöht, solange die vom Geophon gemessenen Erschütterungen den dritten Grenzwert nicht überschreiten. Selbstverständlich wird bei diesem Vorgang auch die gemessene dynamische Belastung der Profile selbst mit den übrigen Grenzwerten verglichen.
  • Geräteparameter, die einen Einfluss auf die Belastung beim Einbringvorgang haben, sind im Rammverfahren die Fallhöhe der Rammmasse, sowie ggf. die Rammmasse selbst oder bei hydraulischen oder pneumatischen Hämmern die Impulsstärke. Beim Vibrationseinbringverfahren sind dies die Frequenz der Unwucht, das Unwuchtmoment und die Auflast. Erfindungsgemäß werden diese Geräteparameter bei der Einbringung ständig angepasst, so dass eine Beschädigung des Profils selbst ausgeschlossen wird, die Einbringung dann endet, sobald der Pfahl genügend einbindet und damit seine statische Tragfunktion erreicht hat und die Einbringung so erfolgt, dass eine Schädigung in der Umgebung verhindert wird.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren detailliert beschrieben.
  • Darin zeigt:
    • Fig. 1
    in einer Prinzipskizze in einem Vertikalschnitt ein in einen Baugrund mittels Rammvorrichtung eingebrachtes Profil und
    Fig. 2
    eine entsprechende Prinzipskizze für ein mittels Vibration eingebrachtes Profil.
  • In Fig. 1 ist in einem Vertikalschnitt ein bereits teilweise in einen Baugrund B eingebrachtes Profil 1 in Form eines Fertigteilpfahls dargestellt. Der Fertigteilpfahl 1 weist einen langgestreckten, über seine Längserstreckung im Wesentlichen gleichen Querschnitt aufweisenden Profilkörper 10 mit einem unteren Fußende 12 und einem Kopfende 11 auf.
  • In den dargestellten Ausführungsbeispielen besteht der Baugrund B aus einer oberen, relativ dicht gelagerten Schicht B1, einer darunter liegenden Weichschicht B2, einer darunter liegenden Kies- oder Geröllschicht B3 geringer Mächtigkeit und einer darunter befindlichen tragfähigen Schicht B4, in der auch die geplante Solltiefe für den Fertigteilpfahl 1 liegt.
  • Um den Fertigteilpfahl 1 in den Baugrund B einzubringen, wird im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine Rammvorrichtung 2 verwendet. Die Rammvorrichtung 2 weist eine Rammmasse 21 auf, die vertikal geführt auf eine Freifallhöhe h gehoben wird. Aus dieser Höhe h fällt dann die Rammmasse 21 geführt im freien Fall auf das Kopfende 11 des Fertigteilpfahls 1. Am Kopfende 11 erfolgt somit die Lasteinleitung des jeweiligen Rammschlages.
  • Außen am Fertigteilpfahl 1 sind Messaufnehmer 4 angebracht. Die Messaufnehmer 4 sind vom Kopfende 11 des Fertigteilpfahls 1 um etwa den dreifachen Dimensionsquerschnitt des Profilkörpers 10 entfernt . Die Mossaufnehmer 4 sind in Form eines Dehnungsmessstreifens 41 und eines Beschleunigungsaufnehmers 42 ausgebildet. Der Dehnungsmessstreifen 41 erfasst Dehnungen/Stauchungen in Einbringrichtung (Z-Richtung). Ebenso erfasst der Beschleunigungsaufnehmer 42 in Z-Richtung wirkende Beschleunigungen.
  • Ferner ist an der Oberfläche des Baugrunds B ein Geophon 43 zur Erfassung der Erschütterungen in der Umgebung der Einbringstelle angeordnet.
  • Zur Erfassung, Weiterverarbeitung und Steuerung der Einbringvorrichtung (Rammvorrichtung 2) ist eine Regeleinheit 5 mit einer Datenerfassungs- und Auswerteeinheit 50 vorgesehen. Vom Dehnungsmessstreifen 41, Beschleunigungsaufnehmer 42 und Geophon 43 sind Wirkleitungen 44 zur Auswerteeinheit 50 vorgesehen. Von der Regeleinheit 5 führt eine Wirkleitung 51 zur Rammvorrichtung 2, die dort die Freifallhöhe h in Abhängigkeit der gemessenen und verarbeiteten Werte aus dem Dehnungsmessstreifen 41, dem Beschleungiungsaufnehmer 42 und dem Geophon 43 regelt.
  • Nachfolgend wird die Regelung der Rammvorrichtung anhand der von den Messaufnehmern aufgenommenen Signale beschrieben.
  • Die Rammvorrichtung 2 wird von der Regeleinheit 5 nach Aufstellen und Ausrichten des einzubringenden Profils 1 gestartet. Dabei kann der Einbrihgvorgang mit einer mittleren Fallhöhe h beginnen oder auch unmittelbar mit einer kleineren Fallhöhe beginnend gesteigert werden. Werden die in der Regeleinheit hinterlegten Grenzwerte, nämlich erster Grenzwert für die maximale Beanspruchung des einzubringenden Profils, zweiter Grenzwert für die erforderliche Einbindetiefe und dritter Grenzwert für die in der Umgebung auftretenden maximalen Erschütterungen nicht überschritten, wird jeweils für den nächsten Hitz die Fallhöhe h gesteigert. Sobald einer oder mehrere der drei Grenzwerte erreicht werden, wird die Fallhöhe nicht weiter gesteigert bzw. bei Überschreiten wenigstens eines Grenzwertes wieder verringert bzw. der Einbringvorgang beendet.
  • Entsprechend wird der Einbringvorgang automatisch geregelt, wobei ein maximaler Rammfortschritt bei Vermeidung von unzulässigen Druck- oder Zugspannungen im Profil erreicht wird. Bei Erreichen des zweiten Grenzwertes wird zudem der Einbringvorgang abgebrochen, da dann die erforderliche statische Tragfunktion des Profils 1 anhand der Messwerte der Messaufnehmer 4 und der in Echtzeit erfolgenden Auswertung der Messwerte nach dem Verfahren von CASE oder KOLYMBAS erreicht ist. Ein weiteres Einbringen des Profils 1 würde eine nicht notwendige Rammtiefe bedeuten, also unnötige Kosten bedeuten. Mit der Regelung können Beschädigungen und übermäßige Beeinträchtigungen vermieden werden.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist eine Vibrationsvorrichtung 3 zum Einbringen des Fertigteilpfahls 1 in den Baugrund B dargestellt. Funktionsmäßig übereinstimmende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen wie zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bezeichnet.
  • Die Vibrationsvorrichtung 3 weist mindestens eine Unwucht 31 auf, die meist hydraulisch angetrieben eine Vibration auf das Kopfende 11 des Profils 1 überträgt. Zur Anbindung der Vibrationsvorrichtung 3 auf dem Kopfende 11 erfolgt zudem eine statische Auflast Fstat, die die von der Unwucht 31 erzeugte periodische Schwingung in den Fertigteilpfahl 1 einleiten lässt.
  • Die der Regeleinheit 5 zugeordnete Datenerfassungs- und Auswerteineheit 50 erfasst und verarbeitet wiederum von den Messaufnehmern, nämlich Dehnungsmessstreifen 41 und Beschleunigungsaufnehmer 42 sowie ergänzend Geophon 43 aufgenommene Signale, um daraus in der Regeleinheit 5 die dynamische Beanspruchung des Profils 1 anzupassen. Regelgrößen sind dabei die Frequenz der Unwucht ω, die durch die Drehzahl des Elektromotors der Unwucht 31 verstellt werden kann, das Unwuchtmoment m, das insbesondere durch Veränderung des radialen Abstandes der Unwuchtmasse zu seiner Rotationsachse eingestellt werden kann, und die statische Auflast Fstat, die durch eine Gewichtsveränderung oder/und hydraulische Auflastabstützung angepasst werden kann.
  • Wie zum ersten Ausführungsbeispiel bereits ausgeführt, wird die dynamische Belastung beim Einbringvorgang anhand durch Dehnungsmessstreifen 41 und Beschleunigungsaufnehmer 42 erfassten Messgrößen mit Echtzeitauswertung in der Auswerteeinheit 50 und Regeleinheit 5 an die jeweilige Situation im Baugrund B angepasst. Dabei werden von der Regeleinheit 5 die Regelgrößen statische Kraft Fstat, Unwuchtfrequenz ω und/oder Unwuchtmoment m entsprechend verändert.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Anordnung zum Einbringen von langgestreckten Profilen können Beschädigungen des Profils während der Einbringung vermieden werden. Ferner kann die Einbringung beendet werden, sobald das Profil seine statische Tragfunktion erfüllt. Der Einbringvorgang wird dabei gleichwohl mit maximaler Einbringgeschwindigkeit durchgeführt, woraus sich insgesamt eine hohe Qualität und Wirtschaftlichkeit ergibt. Der Aufwand für die Anbringung und Verkabelung der Messaufnehmer am einzubringenden Profil ist im Vergleich zu den Verbesserungen der Qualität und Wirtschaftlichkeit als gering einzustufen. Die Regelung für den Einbringvorgang erlaubt somit auch eine Voll- oder Teilautomatisierung, die eine weitere Qualitätsverbesserung und Produktionssteigerung mit sich bringen dürfte.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Profil, Fertigteilpfahl, Spundwandsegment
    10
    Profilkörper
    11
    Kopfende
    12
    Fußende
    2
    Rammvorrichtung
    21
    Rammmasse
    3
    Vibrationsvorrichtung
    31
    Unwucht
    4
    Messaufnehmer
    41
    Dehnungsstreifen
    42
    Beschleunigungsaufnehmer
    43
    Geophon
    44
    Wirkleitung
    5
    Mittel zur Regelung, Regeleinheit
    50
    Datenerfassungs- und Auswerteeinheit
    51
    Wirkleitung
    B
    Baugrund
    B1, B2, B3, B4
    Schichtung im Baugrund
    h
    Freifallhöhe
    m
    Unwuchtmoment
    Fstat
    statische Auflast
    F(t)
    Belastung beim Einbringvorgang
    ω
    Frequenz der Unwucht

Claims (9)

  1. Verfahren zum Einbringen von langgestreckten Profilen (1), insbesondere Fertigteilpfählen, mit einem Kopfende (11) und einem Fußende (12) in einen Baugrund (B), wobei das Profil (1) an seinem Kopfende (11) Rammschlägen und/oder Vibrationen mit einer Auflast ausgesetzt wird, und beim Einbringvorgang eine dynamische Beanspruchung (S) des Profils (1) unmittelbar am Profil (1) gemessen wird wobei aus der gemessenen dynamischen Beanspruchung (S) des Profils (1) nach der Berechnungsmethode von CASE oder KOLYMBAS die Profilbelastung berechnet wird und hieraus Regelgrößen für den Einbringvorgang hergeleitet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Grenzwert (GW1) eine maximale Beanspruchung (Smax) des Profils (1) vorgegeben wird, der ständig mit der gemessenen dynamischen Beanspruchung (S) verglichen wird, wobei bei Überschreiten des ersten Grenzwertes (GW1) die momentane Belastung beim Einbringvorgang verringert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der dynamischen Beanspruchung (S) am Profil (1) Dehnungen und Stauchungen an der Oberfläche des Profils (1) gemessen werden.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der dynamischen Beanspruchung (S) am Profil (1) Beschleunigungen am Profil (1) gemessen werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Dehnungen und Stauchungen und Beschleunigungen die dynamische Beanspruchung (S) des Profils (1) und die Bodenreaktionskräfte (Fg) am Mantel und Fußende (12) des Profils (1) unmittelbar errechnet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einbringvorgangs aus den gemessenen Dehnungen und Stauchungen sowie Beschleunigungen in Echtzeit laufend die statische Tragfähigkeit (T) berechnet wird und dieser berechnete Wert jeweils mit einem zweiten Grenzwert (GW2), der die erforderliche statische Tragfähigkeit angibt, verglichen wird, wobei der Einbringvorgang des Profils (1) beendet wird, wenn die dynamisch gemessene und in Echtzeit berechnete statische Tragfähigkeit (T) den zweiten Grenzwert (GW2) überschreitet.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Erschütterungen beim Einbringvorgang an der Oberfläche des Baugrundes in der Umgebung des Profilstandortes gemessen werden, wobei als dritter Grenzwert (GW3) eine maximale Bodenerschütterung vorgegeben wird, die ständig mit der gemessenen Erschütterung verglichen wird und bei Überschreiten des dritten Grenzwertes (GW3) die momentane Belastung beim Einbringvorgang verringert wird.
  8. Anordnung zum Einbringen von Profilen (1), insbesondere Fertigteilpfählen, in einen Baugrund (B) entsprechend einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Einbringvorrichtung in Form einer Ramm- (2) oder Vibrationsvorrichtung (3) sowie wenigstens einem in den Baugrund (B) einzubringenden Profil (1) mit einem Kopfende (11) und einem Fußende (12), wobei wenigstens ein Messaufnehmer (4) in Form wenigstens eines Dehnungsmessstreifens (41) und wenigstens eines Beschleunigungsaufnehmers (42) am Profil (1) zum Messen der dynamischen Beanspruchung (S) des Profils (1) beim Einbringen angeordnet sind, und Mittel zur Regelung (5) der Einbringvorrichtung (2, 3) in Abhängigkeit der Messergebnisse vorgesehen sind wobei der/die Messaufnehmer (4) in einem Abstand unterhalb des Kopfendes (11) von etwa der dreifachen Querschnittsdimension des Profils (1), angeordnet sind.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Geophone (43) an der Oberfläche des Baugrundes (B) in der Umgebung des einzubringenden Profils (1) sowie an Gebäuden, insbesondere Außenmauern, Decken etc., angeordnet sind, die die relevanten Erschütterungen beim Einbringvorgang erfassen.
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