EP2868806A1 - Verfahren zum Ermitteln einer einen Boden charakterisierenden Größe, sowie Verdichtungsprüfgerät - Google Patents

Verfahren zum Ermitteln einer einen Boden charakterisierenden Größe, sowie Verdichtungsprüfgerät Download PDF

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EP2868806A1
EP2868806A1 EP20140181762 EP14181762A EP2868806A1 EP 2868806 A1 EP2868806 A1 EP 2868806A1 EP 20140181762 EP20140181762 EP 20140181762 EP 14181762 A EP14181762 A EP 14181762A EP 2868806 A1 EP2868806 A1 EP 2868806A1
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EP
European Patent Office
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soil
compaction
determined
determining
ground
Prior art date
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EP20140181762
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English (en)
French (fr)
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EP2868806B1 (de
Inventor
Ulrike Nohlen
Rainer Schrode
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MTS Maschinentechnik Schrode AG
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MTS Maschinentechnik Schrode AG
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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 a characterizing a soil size according to the preamble of claim 1, for example, for assessing a done by a compression element compaction of the soil, as well as a soil compaction or Verdichtungsprüfêt according to the preamble of the independent claim.
  • DE 103 55 172 A1 describes a soil compaction device in the form of a mounted compressor, which can be coupled to an arm of an excavator.
  • the attached compactor comprises a compacting element in the form of a compactor plate, which is pressed by the excavator on a surface location of a soil to be compacted.
  • the compressor plate is coupled to a vibration generator, by means of the compressor plate is vibrated. As a result, a space region which lies below the surface location on which the compactor plate rests is compressed.
  • Basis of the invention are various findings. Thus, for example, it has been recognized that a single parameter acquired or determined in many cases does not help to accurately determine the sought-after and soil-characterizing quantity. It is the combination of the values of different parameters that makes it possible to obtain a sufficiently unambiguous and to this extent sufficiently typifying statement concerning the sought-after and to be determined variable, which is characteristic of the examined soil.
  • the value pairs, triples, quadruples, etc., which connect the values of different parameters with each other are stored together with the respective value of the sought-after and to be determined size in a database that was previously created for example in field or laboratory experiments, but can also be expanded and completed in situ by manual input by an operator.
  • the database is present at a remotely located, for example centrally located, computer and is interrogated by a plurality of users, for example via radio, and fed with new parameter combinations determined in situ and with the associated quantities, which always results in a more accurate and larger and a plurality of users available database is generated.
  • the signal coupled into the ground or applied to the ground comprises at least one of the following group: a mechanical, acoustic or electromagnetic oscillation, the response being an oscillation having an amplitude or an amplitude and amplitude / or a frequency spectrum; a load, the answer being a settlement. All listed signals are easy to generate and lead to easily detectable answers.
  • the detected or determined soil property may include at least one of the following group: color; Water content; electrical ground conductivity; Shear strength; Odor; Grain size; Elasticity; compressibility; acoustic impedance; electrical impedance; Natural radiation; Radiation absorption. All mentioned soil properties can either automatically with corresponding sensors and / or manually detected or determined by a user.
  • the size to be determined and characterizing the soil may be at least one of the following group: degree of compaction; Load capacity; Soil; Water content.
  • degree of compaction With regard to the size of the "soil type", it should be noted that, at least for the time being, their knowledge is in many cases a prerequisite for determining the other sizes mentioned.
  • the database used in step c) may have been created in field trials or at least optimized.
  • it can be adapted or expanded by a manual input during the execution of the method, in particular by manually entering a recognized soil type (eg. Clay, sand gravel, gravel, split) and associated Paramater.
  • a recognized soil type eg. Clay, sand gravel, gravel, split
  • associated Paramater e.g. Clay, sand gravel, gravel, split
  • An essential aspect of the present invention relates to the determination of the "best" match in step c).
  • This may be defined, for example, by a probability that the created parameter combination is the stored parameter combination is greater than or equal to a limit value, or, more concretely, defined by a relative deviation of each parameter being less than or equal to a limit.
  • This is easy to program and thus to automate and allows a later plausibility and thus quality control. It is also possible that in the Determining the best match the individual parameters are weighted, resulting in an individual case to an even more reliable process result.
  • the spatial three-dimensional distribution of a relative stress below the surface point at which the compression element attaches depends, above all, on the type and geometry of the compression element used, and to some extent also on the vibration frequency of the compression element.
  • the relative stress is understood to be the local stress at a location in the spatial area below the surface location relative to the maximum stress directly below the compression element, specifically at the end of compression, ie if further compression is no longer possible.
  • immediately below the compaction element the relative stress at the end of compression, ie when further compaction is no longer possible, is 100% (unity, for example, [%]).
  • the relative tension decreases.
  • three-dimensional space shells can be determined on which the relative tension is only 90%, 80%, 70% etc.
  • These space shells can be represented, for example, in the form of table values, polynomials, or a family of two-dimensional polynomials. Also possible is the representation, for example in the form of the values at points of a uniform grid structure in the spatial area. In the simplest case, the distribution or the course is simply indicated along a vertical line centrally below the surface location.
  • One obtains for each compaction process one-dimensional depth values to which respective degrees of compaction are assigned. In this way, a data set or a formula is obtained for each type of compression element, which indicates the spatial distribution of the relative stress for the respective compression element, and possibly also for a specific compressor frequency.
  • the said distribution of the relative tension is, of course, only valid for that state in which a further operation of the compression element does not further or at least not significantly further compact the ground below the ground location. It therefore only applies to a so-called "end of compression". This can be determined, for example, by evaluating a change over time of the oscillation spectrum, in particular of a distortion factor, of the compression element during operation. If the change in harmonic distortion per unit time falls below a certain limit, then the compression end is assumed at which the relative stress at the surface location immediately below the compacting element is 100%.
  • Another basis of the present invention is the knowledge of the during compaction of the Compression element applied to the surface location ballast, so the force with which the compression element presses on the surface surface (unit, for example, [N]).
  • this consists of a static load and a dynamic load.
  • the static load is the load or force with which, for example, an excavator to which the attachment compactor is attached pushes it onto the surface location.
  • the static load can also simply be a weight force.
  • the dynamic load is that additional force component that is applied to the surface location due to the vibration generated, for example, by an imbalance generator from the compacting element. It can be obtained, for example, by a vibration sensor and multiple integration of the signal obtained therefrom.
  • an absolute voltage (unit, for example, [N / m 2 ]) is obtained from the relative stress, the load and the effective area of the compacting element. In the simplest case, this is the relative voltage multiplied by the determined load and divided by the effective area of the compression element. In this way, one obtains a three-dimensional spatial distribution of the absolute stress in the soil for the compaction element in a spatial region below the surface location.
  • the absolute voltage can be calculated, for example, in the form of evenly distributed points in the spatial area below and laterally of the surface location, depending on the form in which the data of the relative voltage is present. For example, one obtains a three-dimensional grid at whose grid points the respective absolute voltage is known. But also possible is the determination the absolute stress as a three-dimensional polynomial or as a family of two-dimensional polynomials, etc ..
  • Another important element of the present invention is the recognition that a degree of compaction (unit dimensionless or, for example, [%]) at a certain point in the soil is dependent on the absolute stress generated there and on the type of compacted soil.
  • a degree of compaction unit dimensionless or, for example, [%]
  • the degree of compaction at the same absolute tension in a shear-resistant / non-cohesive soil is different than in a low-shear and usually cohesive soil.
  • cohesive soils the respective degrees of compaction are also dependent on the water content.
  • a database is created for the method according to the invention in which the relationship between absolute stress and degree of compaction is stored for typical soils (for example gravel, loam, dry soil, moist soil, etc.).
  • the type of soil below the surface location at which the compaction element attaches determined as a characterizing the soil with the above-mentioned inventive method and then depending on the determined, or determined type of soil from the previously calculated Absolute voltage determines the degree of compaction.
  • the relative voltage is present, one obtains, for example, at discrete grid points, along two-dimensional curves, on a three-dimensional space shell or simply along a contour line, a value for the degree of compaction present there.
  • a desired minimum degree of compaction is predetermined and then that spatial, ie three-dimensional area below the surface location at which the compaction element has been applied is determined, up to which the predetermined minimum compaction degree is present starting from the compaction element. This gives information about the position or spatial three-dimensional extent of that region in which the predetermined degree of compaction is ensured.
  • the determined data can preferably be stored together with a geographical position in a database.
  • the geographical position may be, for example, a reference position of the compression element, or the like, and this may be determined using a satellite positioning system.
  • the soil compaction system according to the invention is designed to carry out the method described above.
  • the soil compaction system has suitable detection means, for example in the form of sensors, as well as storage, processing facilities, power supplies, input devices for manual input of data, display devices for the display of acquired data, etc., at a suitable location.
  • the individual processing devices provided for carrying out the above-mentioned method in the soil compacting system may be formed as software modules on a computer system, such as a notebook or a tablet PC. It goes without saying Further, for example, only the detection means may be arranged at the compression element, whereas the memory, processing means, input means, or the like can be arranged outside of the compression element, for example in the cab of an excavator.
  • a corresponding add-on compactor may have its own power supply, which supplies the detection devices with electricity, and which is supplied for example directly or indirectly from the eccentric drive, or it is a power supply of that device possible, to which the add-on compactor is mounted, for example, an excavator.
  • the soil compaction system advantageously has a detection device which detects at least one parameter characterizing a type of soil at the surface location.
  • these parameters include, for example, a water content, a color, a frequency spectrum, a reaction force, a Einsinkweg, a time course of a settlement, a signal delay, etc.
  • a database is present in the geographic points for certain species of the soil or at least certain parameters belonging to a type of soil are stored. If, for example, the position of the compaction element is known with the aid of a location system, the corresponding parameters can be retrieved from said database.
  • the type of floor can be manually entered by a user by means of an input device.
  • the soil compaction system according to the invention to comprise a reservoir in which, for at least two different types of compaction elements, in each case data which characterize a distribution of the relative stress in the soil in a spatial area underneath the compaction element are stored, and a detection device is included, which detects the type of compaction element used, and / or an input device with which the type of compaction element used can be entered manually.
  • a detection device which detects the type of compaction element used, and / or an input device with which the type of compaction element used can be entered manually.
  • a soil compaction system contributes in FIG. 1 overall, the reference numeral 10. It includes a cultivation compressor 16 which is mounted on an arm 14 of an excavator 12.
  • the cultivation compressor 16 comprises a compression element in the form of a compressor plate 18, which in the in FIG. 1 shown operating situation at an in FIG. 1 narrow dashed line surface point 20 of a bottom 22 is attached.
  • a total of four detection devices in the form of sensors 24, 26, 28 and 30 are present.
  • the sensor 24 detects vibrations of the compressor plate 18, the sensor 26 a force (static load), with the compactor plate 18 is pressed by the excavator 12 on the surface surface 20, the sensor 28 one or more parameters, the bottom property of the bottom 22 at the Surface character 20 and sensor 30 characterize the type of compactor plate 18 used on crop compactor 16.
  • Typical soil characteristics that can be detected by sensor 28 depending on the type of sensor used are color, water content, electrical conductivity, shear strength, odor (or chemical) Composition of a local outgassing), grain size, elasticity, compressibility, acoustic impedance, electrical impedance, intrinsic radiation, and / or radiation absorption.
  • a satellite-based position determination system 32 in this case by way of example a GPS system, which displays the current position of the compressor plate 18 of the add-on compactor 16, is also present on the attachment compactor 16.
  • the signals from the sensors 24 to 30 and the GPS 32 are transmitted wirelessly to a computer system 34 of the soil compaction system 10, which is arranged in the excavator 12.
  • the computer system 34 may be a PC, a notebook, a tablet PC, or the like.
  • the computer system 34 has a data memory (not shown) and a processor (not shown).
  • the memory stores a computer program which is executed by the processor.
  • various memory and processing devices are realized on a software basis, as will be explained below.
  • the computer system 34 also has a display (not shown), for example in the form of a screen, and an input device (not shown), for example in the form of a keyboard, a voice input, or the like.
  • P2 is fed to a comparator 42. This compares the created parameter combination P1
  • the database 44 used was previously created in field trials.
  • the comparator 42 determines that of the stored parameter combinations [P1
  • the best match is defined by the fact that a probability that the created parameter combination P1
  • P2] i is determined to be the ground-determining variable G to be determined.
  • the size G may be a degree of compaction, a bearing capacity, a soil type, or a water content. In the present case, it is assumed by way of example that the size G is the type of soil. With the method just described, the type of soil 22 (ie, for example, loam, sand, gravel, gravel or split, in each case moist or dry) is determined below the compactor plate 18.
  • the database 44 used above can be adapted or extended by manual input during the execution of the method, in particular by manual entry of a recognized soil type (eg clay, sand gravel, gravel, split) and an associated parameter combination P1
  • a recognized soil type eg clay, sand gravel, gravel, split
  • FIG. 3 are the compressor plate 18 and the surface area 20 as well as lying below the surface area 20 space portion 48 of the bottom 22nd shown enlarged.
  • An arrow 50 is intended to characterize the force with which the compactor plate 18 presses on the surface surface 20. This force is composed of the static load determined by the sensor 26 and a force component caused by vibrations of the compressor plate 18, which are generated by a vibration generator, not shown. By the force 50 of the bottom 22 is compressed in the space area 48.
  • an absolute voltage (eg with the dimension N / m 2 ) can be determined from the known dimensionless relative stress 52. Knowing the determined type of soil 22 - as described above with reference to FIG. 2 has been explained - can be determined from this again a spatial three-dimensional distribution of a degree of compaction.
  • a degree of compaction of 0.7 is exemplary in the two-dimensional FIG. 3 indicated by a dashed line by the reference numeral 54. For a space area 55 which lies between the compressor plate 18 and the line 54, and the in FIG. 3 is shown dotted, thus a degree of compaction of at least 0.7 can be guaranteed.
  • the soil compaction system 10 For determining the space area 55, the soil compaction system 10 has, as shown FIG. 4 It can be seen, through various illustrated by functional blocks devices that are implemented by software programs of the computer system 34.
  • the soil compaction system 10 has a processing device 56, which determines based on the signals of the sensor 24 a Verdichtungs progress per time of the bottom 22 at the surface location 20 and then, if this compression progress per time falls below a threshold, by means of a device 58 outputs a signal , which signals a compression end. If such a compression end has been detected, function blocks are started, which in the block diagram of FIG. 4 are delimited by a dot-dashed block 60.
  • a distribution of the relative voltage corresponding to the specific compressor plate 30 is supplied to a processing device 64. This also receives the signals from the sensors 24 and 26, from which the processing device 64 calculates the above-mentioned force 50.
  • a distribution of an absolute voltage in the space region 48 below the compactor plate 18 is determined in the processing device 64. This is fed to a processing device 66, which receives from a memory 68 in which is stored for different types of soil in each case a relationship between the absolute voltage and a degree of compaction corresponding to the specific soil type here connection. This is determined by a selection device 70 on the basis of the determined soil type (see above explanations in connection with FIG. 2 ).
  • a minimum desired degree of compaction in the above example a degree of compaction of 0.7, can be entered.
  • the desired degree of compaction is supplied to a processing device 74, which also receives the distribution of the actual degree of compaction from the processing device 66.
  • This processing device 74 determines that area (reference numeral 55 in FIG. 3 ), up to that starting from the Compressor plate 18 of the entered minimum compression ratio of 0.7 is present.
  • the data characterizing this area are stored in a memory 76 together with the corresponding geographical position determined by the GPS 32.
  • a method of operating the soil compacting system 10 is as follows ( FIG. 5 After a start in 78, the type of soil 22 at surface location 20 is determined at 80 (as discussed above in connection with FIG FIG. 2 explained), wherein this method step can also be performed later.
  • the compactor plate 18 of the attached compactor 16 is set at the surface location 20, and in FIG. 84, the attached compactor 16 is operated.
  • the load 50 is determined and at 88 the end of compression.
  • the operation of the attached compactor 16 is ended.
  • FIG. 5 After a start in 78, the type of soil 22 at surface location 20 is determined at 80 (as discussed above in connection with FIG FIG. 2 explained), wherein this method step can also be performed later.
  • the compactor plate 18 of the attached compactor 16 is set at the surface location 20, and in FIG. 84, the attached compactor 16 is operated.
  • the load 50 is determined and at 88 the end of compression.
  • the operation of the attached compactor 16 is ended.
  • FIG. 5 After a start in 78
  • the absolute stress in the bottom 22 for the particular compactor plate 18 in the space area 48 below the surface location 20 is determined, depending on the relative stress in the bottom 22 in the space area 48 below that determined for the specific compactor plate 18 at the end of compression Compressor plate 18 and depending on the determined ballast 18.
  • a "space shell” is determined, which limits the range to which, starting from the compactor plate 18, the minimum degree of compaction predetermined in 72 is present.
  • the data characterizing the area determined in 94 is stored together with the geographical position. The procedure ends in 98.
  • the invention relates to a method for assessing a compaction of a floor 22 with a stationary compacting element 18, which method following steps include: a. Determining a type of bottom 22 at a surface location 20 of the floor 22; b. Operating the compaction element at the surface location 18; c. Determining a load 50, with which the compression element 18 presses on the surface location 20 during operation, characterizing size; d. Terminating the operation of the compacting element 18 when it is detected that a compaction progress per time of the bottom 22 at the surface location 20 is below a threshold compression end; e.
  • step g Specifying a minimum degree of compaction; i. In step g: determining a region 55 below the surface surface 20, to which, starting from the compression element 18, the predetermined minimum degree of compaction is present.
  • a soil compaction or compaction tester 10 comprising a compaction element 18 for compaction of a soil 22 in a space area 48 below one Surface location 20, further comprising: a first magnitude detection means 24 which characterizes a compaction progress per time of the bottom 22 at the surface location 20; b. a second size detection means 26 which characterizes an over-load 50 which presses the compression member 18 onto the surface location 20 during operation; c. a memory 62 in which data indicative of a distribution of the relative stress in the bottom 22 in a space area 48 below the compression element 18 for the compression element 18 is stored; d. a memory 68 in which a relationship between an absolute voltage and a degree of compaction is respectively stored for at least two types of bottom 22; e.
  • a selector 70 with which one type of floor 22 can be selected f. a processing device 56 which outputs a signal when a compaction progress determined by the first size per time of the bottom 22 at the surface location 20 falls below a threshold value; G. a processing device 64 which determines data characterizing a distribution of an absolute voltage in the ground 22 in the space area 48 below the compacting element 18, i depending on the data stored in the memory 62 according to c and ii depending on the detected load 50; and h. a processing device 66, which determines i depending on the data determined in step g and ii depending on the selected type of soil 22 data that characterize a distribution of a degree of compaction.
  • a soil compaction or compaction tester 10 which further comprises: i. an input device 72, with which a desired minimum Degree of compaction can be entered; and J. a processing device 74, which determines data that characterize a region 55, to which, starting from the compression element 18, the entered minimum degree of compaction is present.
  • a soil compaction or compaction tester 10 which further comprises: k. a positioning system 32, preferably a satellite-based positioning system; and l. a memory 76 in which the data obtained in steps h or j can be stored together with the geographical position determined by the position determining system 32.
  • a soil compaction or compaction tester 10 which further comprises: m. a device 24, 28 which is designed such that it allows the determination of a size G characterizing the bottom 22 at the surface location 20, and / or an input device with which at least one size G characterizing the bottom at the surface location can be entered manually ; wherein the selector 70 according to the above feature e selects a kind of the floor 22 from the determined or inputted size, or the size itself characterizing the floor itself is the kind of the floor.
  • a soil compacting or compaction tester 10 which further comprises: a memory 62 in which, for one or more different types of compaction elements 18, data representing a distribution of relative stress in the soil 22 in a space area 48 below the compaction element 18 characterize, are stored; o. a detection device 30, which detects the type of compression element 18 used, and / or an input device with which the type of compression element used can be entered manually; wherein the processing means 64 according to feature g, the data stored for the detected or input type of the compression element 18 and the distribution of the relative voltage characterizing data used.

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Abstract

Ein Verfahren zum Ermitteln einer einen Boden (22) charakterisierenden Größe (G) zeichnet sich dadurch aus, dass es folgende Schritte umfasst: a. Erfassen oder Ermitteln von Parametern (P1, P2) in Form einer Bodeneigenschaft und/oder in Form einer Antwort (38) auf ein in den Boden (22) eingekoppeltes oder auf den Boden (22) aufgebrachtes Signal (36), wobei jeder Parameter (P1, P2) für sich noch nicht typisierend für die zu ermittelnde Größe (G) ist; b. Erstellen einer Kombination (P1|P2) aus mindestens zwei der ermittelten und/oder erfassten Parameter; c. Vergleichen der erstellten Kombination (P1|P2) mit entsprechenden Parameterkombinationen ([P1|P2] i ), die in einer Datenbank (44) zusammen mit ihnen zugeordneten und einen Boden (22) charakterisierenden Größen ([G] i ) abgespeichert sind, hierdurch Ermitteln jener abgespeicherten Parameterkombination ([P1|P2] i ), die am besten mit der erstellten Parameterkombination (P1|P2) übereinstimmt; d. Festlegen der zu ermittelnden den Boden charakterisierenden Größe (G) als jene Größe ([G] i ), welche der ermittelten am besten übereinstimmenden abgespeicherten Parameterkombination ([P1|P2)] i zugeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer einen Boden charakterisierenden Größe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, beispielsweise zum Beurteilen einer durch ein Verdichtungselement erfolgten Verdichtung des Bodens, sowie ein Bodenverdichtungs- oder Verdichtungsprüfgerät nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruchs.
  • DE 103 55 172 A1 beschreibt ein Bodenverdichtungsgerät in Form eines Anbauverdichters, das an einen Arm eines Baggers ankuppelbar ist. Der Anbauverdichter umfasst ein Verdichtungselement in Form einer Verdichterplatte, die von dem Bagger auf eine Oberflächenstelle eines zu verdichtenden Bodens gedrückt wird. Die Verdichterplatte ist mit einem Schwingungserzeuger gekoppelt, mittels dem die Verdichterplatte in Schwingungen versetzt wird. Hierdurch wird ein Raumbereich, der unterhalb der Oberflächenstelle liegt, auf der die Verdichterplatte aufliegt, verdichtet.
  • DE 10 2011 078 919 A1 beschreibt ein Verdichtungsprüfgerät, mit dem die Verdichtung eines Bodenbereichs an seiner Oberfläche und auch in der Tiefe bestimmt werden kann. Hierzu verfügt diese Vorrichtung einerseits über eine Sondierstange ("Rammsonde") und andererseits über eine Druckplatte. Mit dieser Vorrichtung wird ein sogenanntes indirektes Bodenprüfverfahren durchgeführt, mit dem die Setzung bzw. ein Verformungsmodul des Bodens ermittelt werden. Mittels der Rammsonde wird ferner ein Eindringwiderstand des Bodens ermittelt.
  • Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereit zu stellen, bei dessen Anwendung eine Aussage über eine einen Boden charakterisierende Größe, beispielsweise den mittels eines Anbauverdichters erreichten Verdichtungsgrad in einer bestimmten Tiefe im Boden unterhalb von einem Verdichtungselement des Anbauverdichters nach dem Ende der vorgenommenen Verdichtung, getroffen werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, sowie durch ein Bodenverdichtungs- oder Verdichtungsprüfgerät mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich darüber hinaus in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, ohne Einschaltung eines Sachverständigen und ohne die Notwendigkeit für den Einsatz eines speziellen Bodenprüfgeräts eine Aussage zu einer den Boden charakterisierenden Größe, wie beispielsweise dem Verdichtungsgrad des Bodens im Raumbereich unterhalb einer Oberflächenstelle, an der ein Verdichtungselement angegriffen hat, zu treffen. Dies gestattet auch beim Einsatz beispielsweise von Anbauverdichtern, welche im Gegensatz zu Walzenzügen jeweils immer nur an einer diskreten Stelle verdichten, eine quasi lückenlose Qualitätssicherung. Denkbar ist das Verfahren aber auch beim Einsatz eines stationär betriebenen Walzenzugs, beim Einsatz eines Prüfgeräts, etc. Insgesamt gestattet es das erfindungsgemäße Verfahren, mit geringen Kosten, geringem Zeitaufwand und gegebenenfalls sogar vollautomatisch eine Dokumentation zu den verdichteten Bodenbereichen zu schaffen. Gleiches gilt für das erfindungsgemäße Bodenverdichtungs- oder Verdichtungsprüfgerät.
  • Grundlage der Erfindung sind verschiedene Erkenntnisse. So wurde beispielsweise erkannt, dass ein einzelner erfasster oder ermittelter Parameter für sich in vielen Fällen die gesuchte und den Boden charakterisierende Größe nicht ausreichend genau zu bestimmen hilft. Erst die Kombination der Werte verschiedener Parameter verhilft zu einer ausreichend eindeutigen und insoweit ausreichend typisierenden Aussage betreffend die gesuchte und zu ermittelnde Größe, die für den untersuchten Boden charakteristisch ist. Die Wertepaare, -tripel, -quadrupel, etc., welche die Werte verschiedener Parameter miteinander verbinden (wobei der Begriff "Wert" nicht zwingend im Sinne eines Skalars zu verstehen ist, sondern beispielsweise auch eine Bodenart oder Bodeneigenschaft etc. sein kann), sind dabei zusammen mit dem jeweiligen Wert der gesuchten und zu ermittelnden Größe in einer Datenbank abgespeichert, die beispielsweise zuvor in Feld- oder Laborversuchen erstellt wurde, aber auch in situ durch manuelle Eingaben einer Bedienperson erweitert und vervollständigt werden kann.
  • Denkbar ist auch, dass die Datenbank an einem entfernt - beispielsweise zentral - angeordneten Rechner vorhanden ist und von einer Mehrzahl von Benutzern beispielsweise über Funk einerseits abgefragt und andererseits mit neuen in situ festgestellten Parameterkombinationen und mit den mit diesen verknüpften Größen gefüttert wird, wodurch eine immer genauere und größere und einer Mehrzahl von Benutzern zur Verfügung stehende Datenbank erzeugt wird.
  • Ganz allgemein ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass das in den Boden eingekoppelte oder auf den Boden aufgebrachten Signal mindestens eines aus der folgenden Gruppe umfasst: eine mechanische, akustische oder elektromagnetische Schwingung, wobei die Antwort eine Schwingung mit einer Amplitude oder einem Amplituden- und/oder einem Frequenzspektrum ist; eine Last, wobei die Antwort eine Setzung ist. Alle aufgeführten Signale sind einfach zu erzeugen und führen zu einfach detektierbaren Antworten.
  • Ferner kann die erfasste oder ermittelte Bodeneigenschaft mindestens eine aus der folgenden Gruppe umfassen: Farbe; Wassergehalt; elektrische Bodenleitfähigkeit; Scherfestigkeit; Geruch; Korngröße; Elastizität; Kompressibiltät; akustische Impedanz; elektrische Impedanz; Eigenstrahlung; Strahlungsabsorption. Alle genannten Bodeneigenschaften können entweder automatisch mit entsprechenden Sensoren und/oder manuell durch einen Benutzer einfach erfasst oder ermittelt werden.
  • Die zu ermittelnde und den Boden charakterisierende Größe kann mindestens eine aus der folgenden Gruppe sein: Verdichtungsgrad; Tragfähigkeit; Bodenart; Wassergehalt. Im Hinblick auf die Größe "Bodenart" sei angemerkt, dass deren Kenntnis zumindest derzeit in vielen Fällen eine Voraussetzung für die Ermittlung der anderen genannten Größen ist.
  • Wie oben bereits erwähnt, kann die im Schritt c) verwendete Datenbank in Feldversuchen erstellt oder zumindest optimiert worden sein. Hierzu kann sie durch eine manuelle Eingabe während der Ausführung des Verfahrens adaptiert oder erweitert werden, insbesondere durch manuelle Eingabe einer erkannten Bodenart (bspw. Lehm, Sand Kies, Schotter, Split) und dazugehörender Paramater. Somit wird die Erfahrung der Benutzer bei der Erstellung der Datenbank berücksichtigt und im Laufe der Zeit eine immer mächtigere Datenbasis geschaffen.
  • Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Ermittlung der "besten" Übereinstimmung im Schritt c). Diese kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass eine Wahrscheinlichkeit, dass die erstellte Parameterkombination die abgespeicherte Parameterkombination ist, größer als oder gleich wie ein Grenzwert ist, oder, noch konkreter, dadurch definiert sein, dass eine relative Abweichung eines jeden Parameters kleiner oder gleich ist wie ein Grenzwert. Dies ist einfach zu programmieren und somit zu automatisieren und gestattet eine auch später nachvollziehbare Plausibilisierung und somit Qualitätskontrolle. Möglich ist dabei auch, dass bei der Ermittlung der besten Übereinstimmung die einzelnen Parameter gewichtet werden, was im Einzelfall zu einem noch zuverlässigeren Verfahrensergebnis führt.
  • Vorgeschlagen wird ferner, dass dann, wenn die Wahrscheinlichkeit, dass die erstellte Parameterkombination eine abgespeicherte Parameterkombination ist, kleiner als oder gleich wie ein Grenzwert ist, eine Fehlermeldung erzeugt wird. Hierdurch wird der Benutzer vor einem unsicheren Ergebnis gewarnt, so dass er weitere Maßnahmen zur Ermittlung der gesuchten Größe ergreifen kann.
  • In einem konkreten Anwendungsfall hängt die räumliche dreidimensionale Verteilung einer relativen Spannung unterhalb von der Oberflächenstelle, an der das Verdichtungselement ansetzt, vor allem von der Art und der Geometrie des eingesetzten Verdichtungselements, und in gewissem Umfange auch von der Schwingungsfrequenz des Verdichtungselements ab. Unter der relativen Spannung wird dabei die örtliche Spannung an einem Ort im Raumbereich unter der Oberflächenstelle bezogen auf die maximale Spannung direkt unterhalb vom Verdichtungselement verstanden, und zwar bei Verdichtungsende, wenn also eine weitere Verdichtung nicht mehr möglich ist. Oder, mit anderen Worten: unmittelbar unterhalb von dem Verdichtungselement beträgt die relative Spannung beim Verdichtungsende, wenn also eine weitere Verdichtung nicht mehr möglich ist, 100 % (Einheit also beispielsweise [%]). Entfernt man sich jedoch von dieser Oberflächenstelle in Tiefenrichtung und/oder seitlicher Richtung, nimmt die relative Spannung ab.
  • Beispielsweise durch einen entsprechenden Vorversuch können dreidimensionale Raumschalen ermittelt werden, auf denen die relative Spannung nur noch 90%, 80%, 70% usw. beträgt. Diese Raumschalen können beispielsweise in Form von Tabellenwerten, von Polynomen, oder aus einer Schar von zweidimensionalen Polynomen dargestellt werden. Möglich ist auch die Darstellung beispielsweise in Form der Werte an Punkten einer gleichmäßigen Gitterstruktur in dem Raumbereich. Im einfachsten Fall wird die Verteilung bzw. der Verlauf einfach entlang einer vertikalen Linie mittig unterhalb von der Oberflächenstelle angegeben. Man erhält so für jeden Verdichtungsvorgang eindimensionale Tiefenwerte, denen jeweilige Verdichtungsgrade zugeordnet sind. Auf diese Weise erhält man für jeden Typ eines Verdichtungselements einen Datensatz oder eine Formel, die für das jeweilige Verdichtungselement, und gegebenenfalls auch noch für eine bestimmte Verdichterfrequenz, die räumliche Verteilung der relativen Spannung angibt.
  • Die besagte Verteilung der relativen Spannung gilt wohlgemerkt nur für jenen Zustand, in dem ein weiterer Betrieb des Verdichtungselements den Boden unterhalb von der Bodenstelle nicht oder zumindest nicht signifikant weiter verdichtet. Sie gilt also nur für ein sogenanntes "Verdichtungsende". Dieses kann beispielsweise durch eine Auswertung einer zeitlichen Veränderung des Schwingungsspektrums, insbesondere eines Klirrfaktors, des Verdichtungselements im Betrieb festgestellt werden. Unterschreitet die Änderung des Klirrfaktors pro Zeit einen bestimmten Grenzwert, dann wird das Verdichtungsende angenommen, bei dem die relative Spannung an der Oberflächenstelle unmittelbar unterhalb von dem Verdichtungselement 100% beträgt.
  • Eine weitere Grundlage der vorliegenden Erfindung ist die Kenntnis von der während der Verdichtung von dem Verdichtungselement auf die Oberflächenstelle aufgebrachte Auflast, also die Kraft, mit der das Verdichtungselement auf die Oberflächenstelle drückt (Einheit beispielsweise [N]). Diese setzt sich beispielsweise bei einem Anbauverdichter zusammen aus einer statischen Last und einer dynamischen Last. Die statische Last ist jene Last bzw. Kraft, mit der beispielsweise ein Bagger, an dem der Anbauverdichter angebracht ist, diesen auf die Oberflächenstelle drückt. Die statische Last kann aber auch einfach eine Gewichtskraft sein.
  • Bei der dynamischen Auflast handelt es sich um jene zusätzliche Kraftkomponente, die aufgrund der beispielsweise durch einen Unwuchterzeuger erzeugten Schwingung von dem Verdichtungselement auf die Oberflächenstelle aufgebracht wird. Sie kann beispielsweise durch einen Schwingungssensor und eine Mehrfachintegration des von diesem erhaltenen Signals erhalten werden.
  • Erfindungsgemäß erhält man aus der relativen Spannung, der Auflast und der wirksamen Fläche des Verdichtungselements eine absolute Spannung (Einheit bspw. [N/m2]). Im einfachsten Fall wird hierzu die relative Spannung mit der ermittelten Auflast multipliziert und durch die wirksame Fläche des Verdichtungselements dividiert. Auf diese Weise erhält man eine räumliche dreidimensionale Verteilung der absoluten Spannung im Boden für das Verdichtungselement in einem Raumbereich unterhalb der Oberflächenstelle. Die absolute Spannung kann - abhängig davon, in welcher Form die Daten der relativen Spannung vorliegen - beispielsweise in Form von gleichmäßig verteilten Punkten im Raumbereich unterhalb und seitlich von der Oberflächenstelle berechnet werden. So erhält man beispielsweise ein dreidimensionales Gitter, an dessen Gitterpunkten die jeweilige absolute Spannung bekannt ist. Möglich ist aber auch die Ermittlung der absoluten Spannung als dreidimensionales Polynom oder als Schar von zweidimensionalen Polynomen, etc..
  • Ein weiteres wichtiges Element der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, dass ein Verdichtungsgrad (Einheit dimensionslos oder beispielsweise [%]) an einer bestimmten Stelle im Boden abhängig von der dort erzeugten absoluten Spannung und von der Art des verdichteten Bodens ist. Beispielsweise ist der Verdichtungsgrad bei gleicher absoluter Spannung bei einem scherfesten/nicht-bindigen Boden ein anderer als bei einem gering scherfesten und in der Regel bindigen Boden. Insbesondere bei bindigen Böden sind die jeweiligen Verdichtungsgrade darüber hinaus abhängig vom Wassergehalt. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei beispielsweise in einem Vorversuch eine Datenbank erstellt, in der für typische Böden (bspw. Kies, Lehm, trockener Boden, feuchter Boden, etc.) der Zusammenhang zwischen absoluter Spannung und Verdichtungsgrad abgelegt ist.
  • Zur Durchführung des Verfahrens wird daher die Art des Bodens unterhalb der Oberflächenstelle, an der das Verdichtungselement ansetzt, als eine den Boden charakterisierende Größe mit dem oben genannten erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt und dann abhängig von der ermittelten, bzw. bestimmten Art des Bodens aus der zuvor berechneten absoluten Spannung der Verdichtungsgrad ermittelt. Abhängig davon, in welcher Art von Daten die relative Spannung vorliegt, erhält man so beispielsweise an diskreten Gitterpunkten, längs zweidimensionaler Kurven, auf einer dreidimensionalen Raumschale oder einfach entlang einer Tiefenlinie einen Wert für den dort vorhandenen Verdichtungsgrad.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein gewünschter minimaler Verdichtungsgrad vorgegeben und dann jener räumliche, also dreidimensionale Bereich unterhalb der Oberflächenstelle, an der das Verdichtungselement angesetzt wurde, ermittelt wird, bis zu dem ausgehend von dem Verdichtungselement der vorgegebene minimale Verdichtungsgrad vorliegt. Man erhält so eine Information über die Lage bzw. die räumliche dreidimensionale Ausdehnung jenes Bereichs, in dem der vorgegebene Verdichtungsgrad gewährleistet ist.
  • Die ermittelten Daten können vorzugsweise zusammen mit einer geographischen Position in einer Datenbank abgespeichert werden. Die geographische Position kann beispielsweise eine Referenzposition des Verdichtungselements sein, oder Ähnliches, und diese kann unter zu Hilfenahme eines Satellitenortungssystem bestimmt werden.
  • Das erfindungsgemäße Bodenverdichtungssystem ist dafür ausgebildet, das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Hierzu verfügt das Bodenverdichtungssystem an geeigneter Stelle über entsprechende Erfassungseinrichtungen, beispielsweise in Form von Sensoren, sowie Speicher, Verarbeitungseinrichtungen, Energieversorgungen, Eingabeeinrichtungen zur manuellen Eingabe von Daten, Anzeigeeinrichtungen zur Anzeige ermittelter Daten, etc.
  • Es versteht sich, dass die einzelnen Verarbeitungseinrichtungen, die zur Ausführung des oben erwähnten Verfahrens bei dem Bodenverdichtungssystem vorgesehen sind, als Softwaremodule auf einem Computersystem, beispielsweise einem Notebook oder einem Tablet-PC, ausgebildet sein können. Es versteht sich ferner, dass beispielsweise nur die Erfassungseinrichtungen beim Verdichtungselement angeordnet sein können, wohingegen die Speicher, Verarbeitungseinrichtungen, Eingabeeinrichtungen, oder Ähnliches außerhalb von dem Verdichtungselement, beispielsweise im Führerstand eines Baggers, angeordnet sein können.
  • Die Übertragung der von den Erfassungseinrichtungen erfassten Größen, bzw. der diesen entsprechenden Signale kann drahtgebunden oder drahtlos an die Verarbeitungseinrichtungen, Speicher etc. erfolgen. Ein entsprechender Anbauverdichter kann eine eigene Stromversorgung aufweisen, welche die Erfassungseinrichtungen mit Strom versorgt, und die beispielsweise direkt oder indirekt vom Exzenterantrieb gespeist wird, oder es ist eine Stromversorgung von jenem Gerät möglich, an welches der Anbauverdichter angebaut ist, beispielsweise von einem Bagger.
  • Zur Automatisierung des oben genannten Verfahrens verfügt das erfindungsgemäße Bodenverdichtungssystem vorteilhafterweise über eine Erfassungseinrichtung, welche mindestens einen eine Art des Bodens an der Oberflächenstelle charakterisierenden Parameter erfasst. Zu diesen Parametern gehört beispielsweise ein Wassergehalt, eine Farbe, ein Frequenzspektrum, eine Reaktionskraft, ein Einsinkweg, ein zeitlicher Verlauf einer Setzung, eine Signallaufzeit, etc.. Denkbar ist auch, dass eine Datenbank vorliegt, in der für bestimmte geographische Punkte die entsprechende Art des Bodens oder zumindest bestimmte zu einer Bodenart gehörende Parameter hinterlegt sind. Ist beispielsweise mit Hilfe eines Ortungssystems die Position des Verdichtungselements bekannt, können aus der besagten Datenbank die entsprechenden Parameter abgerufen werden.
  • Im einfachsten Fall kann die Art des Bodens von einem Benutzer mittels einer Eingabeeinrichtung manuell eingegeben werden.
  • Ebenso ist es möglich, dass das erfindungsgemäße Bodenverdichtungssystem einen Speicher umfasst, in dem für mindestens zwei unterschiedliche Arten von Verdichtungselementen jeweils Daten, die eine Verteilung der relativen Spannung im Boden im einem Raumbereich unterhalb von dem Verdichtungselement charakterisieren, abgespeichert sind, und eine Erfassungseinrichtung umfasst, welche die Art des verwendeten Verdichtungselements erfasst, und/oder eine Eingabeeinrichtung, mit der die Art des verwendeten Verdichtungselements manuell eingegeben werden kann. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren an der Baustelle bei ganz unterschiedlichen Verdichtungselementen mit einem sehr guten Aussageergebnis angewendet werden.
  • Nachfolgend wird eine bespielhafte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1 eine schematische Darstellung eines Bodenverdichtungssystems mit einem Anbauverdichter mit einem Verdichtungselement;
    • Figur 2 eine schematische Darstellung der Grundprinzipien eines Verfahrens zum Ermitteln einer einen Boden unter dem Verdichtungselement von Figur 1 charakterisierenden Größe;
    • Figur 3 einen schematischen Schnitt durch den Boden an einer Oberflächenstelle, an der das Verdichtungselement von Figur 1 angreift;
    • Figur 4 ein Blockschaltbild des Bodenverdichtungssystems von Figur 1; und
    • Figur 5 ein Flussdiagram eines Verfahrens zum Betreiben des Bodenverdichtungssystems von Figur 1 zum Ermitteln eines Verdichtungsgrads.
  • Ein Bodenverdichtungssystem trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Anbauverdichter 16, der an einen Arm 14 eines Baggers 12 montiert ist. Der Anbauverdichter 16 umfasst ein Verdichtungselement in Form einer Verdichterplatte 18, die bei der in Figur 1 dargestellten Betriebssituation an einer in Figur 1 eng gestrichelt gezeichneten Oberflächenstelle 20 eines Bodens 22 angesetzt ist.
  • An dem Anbauverdichter 16 sind insgesamt vier Erfassungseinrichtungen in Form von Sensoren 24, 26, 28 und 30 vorhanden. Der Sensor 24 erfasst Schwingungen der Verdichterplatte 18, der Sensor 26 eine Kraft (statische Auflast), mit der die Verdichterplatte 18 vom Bagger 12 auf die Oberflächenstelle 20 gedrückt wird, der Sensor 28 einen oder mehrere Parameter, welche eine Bodeneigenschaft des Bodens 22 an der Oberflächenstelle 20 charakterisieren, und der Sensor 30 den Typ der an dem Anbauverdichter 16 eingesetzten Verdichterplatte 18. Typische Bodeneigenschaften, die von dem Sensor 28 abhängig vom eingesetzten Sensortyp erfasst werden können, sind Farbe, Wassergehalt, elektrische Bodenleitfähigkeit, Scherfestigkeit, Geruch (bzw. chemische Zusammensetzung einer lokalen Ausgasung), Korngröße, Elastizität, Kompressibiltät, akustische Impedanz, elektrische Impedanz, Eigenstrahlung, und/oder Strahlungsabsorption.
  • Ferner ist an dem Anbauverdichter 16 noch ein satellitengestütztes Positionsbestimmungssystem 32, vorliegend beispielhaft ein GPS-System, vorhanden, welches die aktuelle Position der Verdichterplatte 18 des Anbauverdichters 16 anzeigt. Die Signale der Sensoren 24 bis 30 und des GPS 32 werden drahtlos an ein Computersystem 34 des Bodenverdichtungssystems 10 übermittelt, welches im Bagger 12 angeordnet ist. Bei dem Computersystem 34 kann es sich um einen PC, ein Notebook, einen Tablet-PC oder Ähnliches handeln.
  • Das Computersystem 34 verfügt über einen Datenspeicher (nicht dargestellt) sowie einen Prozessor (nicht dargestellt). Auf dem Speicher ist ein Computerprogramm abgespeichert, welches vom Prozessor ausgeführt wird. Hierdurch werden auf Softwarebasis verschiedene Speicher und Verarbeitungseinrichtungen realisiert, wie weiter unten noch dargelegt werden wird. Das Computersystem 34 verfügt auch über eine Anzeige (nicht dargestellt), beispielsweise in Form eines Bildschirms, sowie eine Eingabeeinrichtung (nicht dargestellt), beispielsweise in Form einer Tastatur, einer Spracheingabe, oder Ähnlichem.
  • Anhand der Darstellung von Figur 2 wird nun das Grundprinzip eines Verfahrens erläutert, mit dem eine den Boden 22 unter der Verdichterplatte 18 charakterisierende Größe G ermittelt wird:
    • Mittels der Verdichterplatte 18 wird ein Signal in Form von mechanischen Schwingungen 36 in den Boden 22 eingekoppelt.
    • Alternativ oder zusätzlich könnten durch entsprechende Einrichtungen auch Signale in Form von akustischen oder elektromagnetischen Schwingung und/oder einer Last auf den Boden aufgebracht oder in den Boden eingekoppelt werden.
    • Mit dem Sensor 24 wird ein erster Paramater P1 in Form einer Antwort 38 auf die in den Boden eingekoppelten Schwingungen 36 mit einer Amplitude oder einem Amplituden- und/oder einem Frequenzspektrum erfasst. Wäre das aufgebrachte Signal eine Last, wäre die entsprechende Antwort eine Setzung. Mit dem Sensor 28 wird, wie oben bereits erwähnt, ein zweiter Parameter P2 in Form einer Bodeneigenschaft erfasst. In 40 wird eine Kombination P1|P2 in der Art eines Wertepaares aus den zwei ermittelten bzw. erfassten Parametern P1 und P2 erstellt. Es versteht sich, dass zur Ermittlung der beiden Parameter P1 und P2 keineswegs zwingend zwei Sensoren 24 und 28 erforderlich sind. Möglich ist beispielsweise auch, dass nur ein Sensor eingesetzt wird und der erste Parameter die Messgröße selbst ist, wohingegen der zweite Parameter ein zeitlicher Verlauf der Messgröße ist.
  • Die erstellte Parameterkombination P1|P2 wird einem Vergleicher 42 zugeführt. Dieser vergleicht die erstellte Parameterkombination P1|P2 mit einer Vielzahl von in einer Datenbank 44 abgespeicherten Parameterkombinationen [P1|P2]a, [P1|P2]b, [P1|P2]c, ..., wobei jeder der abgespeicherten Parameterkombinationen eine den Boden (22) charakterisierende Größe [G]a, [G]b, [G]c, ... zugeordnet und mit der entsprechenden Parameterkombination abgespeichert ist. Die verwendete Datenbank 44 wurde zuvor in Feldversuchen erstellt.
  • Mit dem Vergleicher 42 wird jene der abgespeicherten Parameterkombinationen [P1|P2]i ermittelt, die am besten mit der erstellten Parameterkombination P1|P2 übereinstimmt. Die beste Übereinstimmung ist dadurch definiert, dass eine Wahrscheinlichkeit, dass die erstellte Parameterkombination P1|P2 die abgespeicherte Parameterkombination [P1|P2]i ist, größer als oder gleich wie ein Grenzwert ist. Dies wird vorliegend dann angenommen, wenn eine relative Abweichung eines jeden der Parameter P1 und P2 von dem entsprechenden Parameter P1 und P2 der abgespeicherten Kombination [P1|P2]i kleiner oder gleich ist wie ein Grenzwert. Zur Verbesserung der Genauigkeit ist es möglich, dass bei der Ermittlung der besten Übereinstimmung die Parameter P1 und P2 gewichtet werden. Ist die Wahrscheinlichkeit, dass die erstellte Parameterkombination P1|P2 eine abgespeicherte Parameterkombination [P1|P2]i ist, kleiner als oder gleich wie ein Grenzwert, wird eine Fehlermeldung erzeugt.
  • In 46 wird jene Größe [G]i, welche der ermittelten am besten übereinstimmenden abgespeicherten Parameterkombination [P1|P2]i zugeordnet ist, als die zu ermittelnde den Boden charakterisierende Größe G festgelegt. Bei der Größe G kann es sich um einen Verdichtungsgrad, eine Tragfähigkeit, eine Bodenart, oder einen Wassergehalt handeln. Vorliegend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die Größe G die Bodenart ist. Mit dem soeben beschriebenen Verfahren wird also die Art des Bodens 22 (also bspw. Lehm, Sand, Kies, Schotter oder Split, jeweils feucht oder trocken) unterhalb von der Verdichterplatte 18 ermittelt.
  • Die oben verwendete Datenbank 44 kann durch eine manuelle Eingabe während der Ausführung des Verfahrens adaptiert oder erweitert werden, insbesondere durch manuelle Eingabe einer erkannten Bodenart (bspw. Lehm, Sand Kies, Schotter, Split) und einer dazugehörenden Parameterkombination P1|P2.
  • In Figur 3 sind die Verdichterplatte 18 und die Oberflächenstelle 20 sowie ein unterhalb von der Oberflächenstelle 20 liegender Raumbereich 48 des Bodens 22 vergrößert dargestellt. Ein Pfeil 50 soll die Kraft charakterisieren, mit der die Verdichterplatte 18 auf die Oberflächenstelle 20 drückt. Diese Kraft setzt sich zusammen aus der vom Sensor 26 ermittelten statischen Auflast und einer Kraftkomponente, die durch Schwingungen der Verdichterplatte 18, die durch einen nicht dargestellten Schwingungserzeuger erzeugt werden, hervorgerufen wird. Durch die Kraft 50 wird der Boden 22 im Raumbereich 48 verdichtet.
  • Dabei wird davon ausgegangen, dass eine weitere Verdichtung des Raumbereichs 48 dann nicht mehr möglich ist, wenn eine zeitliche Änderung eines Klirrfaktors, der mittels des Signals des Sensors 24 ermittelt wird, einen Grenzwert unterschreitet. Wird dies festgestellt, kann davon ausgegangen werden, dass eine relative Spannung an der Oberflächenstelle 20 unmittelbar unterhalb von der Verdichterplatte 18 maximal ist, also bei 100% liegt. Diese dreidimensionale Raumschale oder "relative Isobarenschale" ist in der zweidimensionalen Darstellung der Figur 3 durch eine gestrichelte Linie 52a angedeutet.
  • Abhängig vom Typ der Verdichterplatte 18 entwickelt sich die relative Spannung mit größer werdendem Abstand von der Verdichterplatte 18 unterschiedlich. Für die hier verwendete Verdichterplatte 18 sind in der zweidimensionalen Darstellung der Figur 3 beispielhaft Linien gleicher relativer Spannung (also "relative Isobaren") gestrichelt dargestellt. Eine Linie 52b steht für eine relative Spannung von 92%, eine Linie 52c für eine relative Spannung von 62%, und eine Linie 52d für eine relative Spannung von 10%. Man erkennt aus der vorliegenden zweidimensionalen Darstellung der Figur 3, dass die Linien gleicher relativer Spannung sich ähnlich den Schalen einer Zwiebel ausgehend von der Oberflächenstelle 20 räumlich dreidimensional in den Boden 22 hinein ausbreiten.
  • In Kenntnis der Kraft 50 und der wirksamen Fläche der Verdichterplatte 18 kann aus der bekannten dimensionslosen relativen Spannung 52 eine absolute Spannung (bspw. mit der Dimension N/m2) ermittelt werden. In Kenntnis der ermittelten Art des Bodens 22 - wie oben unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert wurde - kann hieraus wiederum eine räumliche dreidimensionale Verteilung eines Verdichtungsgrads ermittelt werden. Ein Verdichtungsgrad von 0,7 ist bespielhaft in der zweidimensionalen Figur 3 durch eine strichpunktierte Linie mit dem Bezugszeichen 54 angedeutet. Für einen Raumbereich 55, der zwischen der Verdichterplatte 18 und der Linie 54 liegt, und der in Figur 3 gepunktet dargestellt ist, kann somit ein Verdichtungsgrad von mindestens 0,7 gewährleistet werden.
  • Zur Bestimmung des Raumbereichs 55 verfügt das Bodenverdichtungssystem 10, wie aus Figur 4 ersichtlich ist, über verschiedene durch Funktionsblöcke dargestellte Einrichtungen, die durch Softwareprogramme des Computersystems 34 realisiert sind. So verfügt das Bodenverdichtungssystem 10 über eine Verarbeitungseinrichtung 56, die auf der Basis der Signale des Sensors 24 einen Verdichtungsfortschritt pro Zeit des Bodens 22 an der Oberflächenstelle 20 ermittelt und dann, wenn dieser Verdichtungsfortschritt pro Zeit einen Grenzwert unterschreitet, mittels einer Einrichtung 58 ein Signal ausgibt, welches ein Verdichtungsende signalisiert. Ist ein solches Verdichtungsende erkannt worden, werden Funktionsblöcke in Gang gesetzt, die in dem Blockschaltbild von Figur 4 durch einen strichpunktierten Block 60 eingegrenzt sind.
  • In einem Speicher 62 sind für verschiedene Arten von Verdichterplatten 18 die jeweiligen Verteilungen der relativen Spannung abgelegt. Auf der Basis des Signals des Sensors 30 wird eine der spezifischen Verdichterplatte 30 entsprechende Verteilung der relativen Spannung einer Verarbeitungseinrichtung 64 zugeführt. Diese erhält ebenfalls die Signale der Sensoren 24 und 26, aus denen die Verarbeitungseinrichtung 64 die oben erwähnte Kraft 50 berechnet.
  • Aus der Kraft 50 und aus der aus dem Speicher 62 abgerufenen relativen Spannung wird in der Verarbeitungseinrichtung 64 eine Verteilung einer absoluten Spannung in dem Raumbereich 48 unterhalb von der Verdichterplatte 18 ermittelt. Diese wird einer Verarbeitungseinrichtung 66 zugeführt, welche aus einem Speicher 68, in dem für verschiedene Arten von Boden jeweils ein Zusammenhang zwischen der absoluten Spannung und einem Verdichtungsgrad abgespeichert ist, den der hier spezifischen Bodenart entsprechenden Zusammenhang erhält. Dieser wird durch eine Auswahleinrichtung 70 auf der Basis der ermittelten Bodenart (siehe obige Erläuterungen im Zusammenhang mit Figur 2) ausgewählt.
  • Mittels einer Eingabeeinrichtung 72 (bspw. einer Tastatur des Computersystems 34) kann ein minimal gewünschter Verdichtungsgrad, im obigen Beispiel ein Verdichtungsgrad von 0,7, eingegeben werden. Der gewünschte Verdichtungsgrad wird einer Verarbeitungseinrichtung 74 zugeführt, welche von der Verarbeitungseinrichtung 66 auch die Verteilung des tatsächlichen Verdichtungsgrads erhält. Diese Verarbeitungseinrichtung 74 ermittelt jenen Bereich (Bezugszeichen 55 in Figur 3), bis zu dem ausgehend von der Verdichterplatte 18 der eingegebene minimale Verdichtungsgrad von 0,7 vorliegt. Die diesen Bereich charakterisierenden Daten werden zusammen mit der entsprechenden vom GPS 32 ermittelten geographischen Position in einem Speicher 76 abgespeichert.
  • Ein Verfahren zum Betreiben des Bodenverdichtungssystems 10 läuft wie folgt ab (Figur 5): Nach einem Start in 78 wird in 80 die Art des Bodens 22 an der Oberflächenstelle 20 ermittelt (wie oben im Zusammenhang mit Figur 2 erläutert), wobei dieser Verfahrensschritt auch später durchgeführt werden kann. In 82 wird die Verdichterplatte 18 des Anbauverdichters 16 an der Oberflächenstelle 20 angesetzt, und in 84 wird der Anbauverdichter 16 betrieben. In 86 wird die Auflast bzw. Kraft 50 ermittelt, und in 88 das Verdichtungsende. In 90 wird der Betrieb des Anbauverdichters 16 beendet. In 92 wird die absolute Spannung im Boden 22 für die spezielle Verdichterplatte 18 in dem Raumbereich 48 unterhalb der Oberflächenstelle 20 ermittelt, und zwar abhängig von der für die spezifische Verdichterplatte 18 vorab bei Verdichtungsende ermittelten relativen Spannung im Boden 22 in dem Raumbereich 48 unterhalb von der Verdichterplatte 18 und abhängig von der ermittelten Auflast 18. In 94 wird eine "Raumschale" ermittelt, welche jenen Bereich begrenzt, bis zu dem ausgehend von der Verdichterplatte 18 der in 72 vorgegebenen minimale Verdichtungsgrad vorliegt. In 96 werden die Daten, die den in 94 ermittelten Bereich charakterisieren, zusammen mit der geographischen Position abgespeichert. Das Verfahren endet in 98.
  • Somit betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beurteilen einer mit einem stationären Verdichtungselement 18 erfolgten Verdichtung eines Bodens 22, welches Verfahren folgende Schritte umfasst: a. Ermitteln einer Art des Bodens 22 an einer Oberflächenstelle 20 des Bodens 22; b. Betreiben des Verdichtungselements an der Oberflächenstelle 18; c. Ermitteln einer eine Auflast 50, mit der das Verdichtungselement 18 während des Betriebs auf die Oberflächenstelle 20 drückt, charakterisierenden Größe; d. Beenden des Betriebs des Verdichtungselements 18 dann, wenn erkannt wird, dass ein Verdichtungsfortschritt pro Zeit des Bodens 22 an der Oberflächenstelle 20 einen Grenzwert unterschreitet Verdichtungsende; e. Ermitteln einer absoluten Spannung im Boden 22 für das Verdichtungselement 18 in einem Raumbereich 48 unterhalb der Oberflächenstelle 20,i abhängig von einer für das Verdichtungselement 18 vorab bei Verdichtungsende ermittelten relativen Spannung im Boden 22 in dem Raumbereich 48 unterhalb von dem Verdichtungselement 18 und ii abhängig von der ermittelten Auflast 50; f. Ermitteln eines Verdichtungsgrads i abhängig von der ermittelten Verteilung der absoluten Spannung und ii abhängig von der Art des Bodens 22.
  • Sowie ein solches Verfahren welches ferner umfasst: h. Vorgeben eines minimalen Verdichtungsgrads; i. Im Schritt g: Ermitteln eines Bereichs 55 unterhalb der Oberflächenstelle 20, bis zu dem ausgehend von dem Verdichtungselement 18 der vorgegebene minimale Verdichtungsgrad vorliegt.
  • Sowie ein solches Verfahren, bei dem die in den Schritten g oder i ermittelten Daten zusammen mit einer geografischen Position in einem Speicher 76 abgespeichert werden.
  • Sowie ein Bodenverdichtungs- oder Verdichtungsprüfgerät 10, umfassend ein Verdichtungselement 18 zum Verdichten eines Bodens 22 in einem Raumbereich 48 unterhalb einer Oberflächenstelle 20, welches ferner umfasst: a eine Erfassungseinrichtung 24 zum Erfassen einer ersten Größe, welche einen Verdichtungsfortschritt pro Zeit des Bodens 22 an der Oberflächenstelle 20 charakterisiert; b. eine Erfassungseinrichtung 26 zum Erfassen einer zweiten Größe, welche eine Auflast 50, mit der das Verdichtungselement 18 während des Betriebs auf die Oberflächenstelle 20 drückt, charakterisiert; c. einen Speicher 62, in dem Daten, welche eine Verteilung der relativen Spannung im Boden 22 in einem Raumbereich 48 unterhalb von dem Verdichtungselement 18 für das Verdichtungselement 18 charakterisieren, abgespeichert sind; d. einen Speicher 68, in dem für mindestens zwei Arten von Boden 22 jeweils ein Zusammenhang zwischen einer absoluten Spannung und einem Verdichtungsgrad abgespeichert ist; e. eine Auswahleinrichtung 70, mit der eine Art von Boden 22 ausgewählt werden kann; f. eine Verarbeitungseinrichtung 56, welche ein Signal ausgibt, wenn ein anhand der ersten Größe ermittelter Verdichtungsfortschritt pro Zeit des Bodens 22 an der Oberflächenstelle 20 einen Grenzwert unterschreitet Verdichtungsende; g. eine Verarbeitungseinrichtung 64, welche Daten, die eine Verteilung einer absoluten Spannung im Boden 22 in dem Raumbereich 48 unterhalb von dem Verdichtungselement 18 charakterisieren, i abhängig von den im Speicher 62 gemäß c abgespeicherten Daten und ii abhängig von der erfassten Auflast 50 ermittelt; und h. eine Verarbeitungseinrichtung 66, welche i abhängig von den im Schritt g ermittelten Daten und ii abhängig von der ausgewählten Art des Bodens 22 Daten ermittelt, die eine Verteilung eines Verdichtungsgrads charakterisieren.
  • Sowie ein solches Bodenverdichtungs- oder Verdichtungsprüfgerät 10, welches ferner umfasst: i. eine Eingabeeinrichtung 72, mit der ein gewünschter minimaler Verdichtungsgrad eingegeben werden kann; und j. eine Verarbeitungseinrichtung 74, welche Daten ermittelt, die einen Bereich 55, bis zu dem ausgehend von dem Verdichtungselement 18 der eingegebene minimale Verdichtungsgrad vorliegt, charakterisieren.
  • Sowie ein solches Bodenverdichtungs- oder Verdichtungsprüfgerät 10, welches ferner umfasst: k. ein Positionsbestimmungssystem 32, vorzugsweise ein satellitengestütztes Positionsbestimmungssystem; und l. einen Speicher 76, in dem die in den Schritten h oder j ermittelten Daten zusammen mit der vom Positionsbestimmungssystem 32 bestimmten geografischen Position abgespeichert werden können.
  • Sowie ein solches Bodenverdichtungs- oder Verdichtungsprüfgerät 10, welches ferner umfasst: m. eine Einrichtung 24, 28, welche so ausgebildet ist, dass sie die Ermittlung einer den Boden 22 an der Oberflächenstelle 20 charakterisierenden Größe G ermöglicht, und/oder eine Eingabeeinrichtung, mit der mindestens ein den Boden an der Oberflächenstelle charakterisierende Größe G manuell eingegeben werden kann; wobei die Auswahleinrichtung 70 gemäß obigem Merkmal e anhand der ermittelten oder eingegebenen Größe eine Art des Bodens 22 auswählt, oder bei die den Boden charakterisierende Größe selbst die Art des Bodens ist.
  • Sowie ein solches Bodenverdichtungs- oder Verdichtungsprüfgerät 10, welches ferner umfasst: n. einen Speicher 62, in dem für eine oder mehrere unterschiedliche Arten von Verdichtungselementen 18 jeweils Daten, die eine Verteilung der relativen Spannung im Boden 22 in einem Raumbereich 48 unterhalb von dem Verdichtungselement 18 charakterisieren, abgespeichert sind; o. eine Erfassungseinrichtung 30, welche die Art des verwendeten Verdichtungselements 18 erfasst, und/oder eine Eingabeeinrichtung, mit der die Art des verwendeten Verdichtungselements manuell eingegeben werden kann; wobei die Verarbeitungseinrichtung 64 gemäß Merkmal g die für die erfasste oder eingegebene Art des Verdichtungselements 18 abgespeicherten und die Verteilung der relativen Spannung charakterisierenden Daten verwendet.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Ermitteln einer einen Boden (22) charakterisierenden Größe (G), dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:
    a. Erfassen oder Ermitteln von Parametern (P1, P2) in Form einer Bodeneigenschaft und/oder in Form einer Antwort (38) auf ein in den Boden (22) eingekoppeltes oder auf den Boden (22) aufgebrachtes Signal (36), wobei jeder Parameter (P1, P2) für sich noch nicht typisierend für die zu ermittelnde Größe (G) ist;
    b. Erstellen einer Kombination (P1|P2) aus mindestens zwei der ermittelten und/oder erfassten Parameter;
    c. Vergleichen der erstellten Kombination (P1|P2) mit entsprechenden Parameterkombinationen ([P1|P2]i), die in einer Datenbank (44) zusammen mit ihnen zugeordneten und einen Boden (22) charakterisierenden Größen ([G]i) abgespeichert sind, hierdurch Ermitteln jener abgespeicherten Parameterkombination ([P1|P2]i), die am besten mit der erstellten Parameterkombination (P1|P2) übereinstimmt;
    d. Festlegen der zu ermittelnden den Boden charakterisierenden Größe (G) als jene Größe ([G]i), welche der ermittelten am besten übereinstimmenden abgespeicherten Parameterkombination ([P1|P2)]i zugeordnet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Boden (22) eingekoppelte oder auf den Boden aufgebrachten Signal (36) mindestens eines aus der folgenden Gruppe umfasst: eine mechanische, akustische oder elektromagnetische Schwingung, wobei die Antwort eine Schwingung mit einer Amplitude oder einem Amplituden- und/oder einem Frequenzspektrum ist; eine Last, wobei die Antwort eine Setzung ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste oder ermittelte Bodeneigenschaft (P2) mindestens eine aus der folgenden Gruppe umfasst: Farbe; Wassergehalt; elektrische Bodenleitfähigkeit; Scherfestigkeit; Geruch; Korngröße; Elastizität; Kompressibiltät; akustische Impedanz; elektrische Impedanz; Eigenstrahlung; Strahlungsabsorption.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu ermittelnde Größe (G) mindestens eine aus der folgenden Gruppe ist: Verdichtungsgrad, insbesondere eine räumliche dreidimensionale Verteilung des Verdichtungsgrads; Tragfähigkeit; Bodenart; Wassergehalt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Schritt c) verwendete Datenbank (44) in Feldversuchen erstellt wurde.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Schritt c) verwendete Datenbank (44) durch eine manuelle Eingabe während der Ausführung des Verfahrens adaptiert oder erweitert wird, insbesondere durch manuelle Eingabe einer erkannten Bodenart (bspw.
    Lehm, Sand Kies, Schotter, Split) und dazugehörender Paramater (P1|P2).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) die beste Übereinstimmung dadurch definiert ist, dass eine Wahrscheinlichkeit, dass die erstellte Parameterkombination (P1|P2) die abgespeicherte Parameterkombination ([P1|P2]i) ist, größer als oder gleich wie ein Grenzwert ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) die beste Übereinstimmung dadurch definiert ist, dass eine relative Abweichung eines jeden Parameters (P1, P2) kleiner oder gleich ist wie ein Grenzwert.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der besten Übereinstimmung die Parameter (P1, P2) gewichtet werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Wahrscheinlichkeit, dass die erstellte Parameterkombination (P1|P2) eine abgespeicherte Parameterkombination ([P1|P2]i) ist, kleiner als oder gleich wie ein Grenzwert ist, eine Fehlermeldung erzeugt wird.
  11. Bodenverdichtungs- oder Verdichtungsprüfgerät (10), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuer- und oder Regeleinrichtung (34) umfasst, welche zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert und/oder ausgebildet ist.
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