EP3230531B1

EP3230531B1 - Verfahren und vorrichtungen zur baugrundverbesserung

Info

Publication number: EP3230531B1
Application number: EP15825602.4A
Authority: EP
Inventors: Maik KETTNER
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2020-02-12
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: WO2016092075A1; US20170370067A1; EP3230531A1; US10774494B2; DE102014225726A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen und ein Bohrwerkzeug. Weiterhin sind ein Tiefenrüttler sowie ein Verfahren zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials Gegenstände der vorliegenden Erfindung.
Bei der Errichtung von Bauwerken kommt der Beschaffenheit des Baugrunds eine wichtige Bedeutung zu. Insbesondere bei großen und massereichen Gebäuden werden hohe Anforderungen an die Stabilität, beziehungsweise Belastbarkeit des Baugrunds gestellt. Üblicherweise beschreibt ein Baugrundgutachten die Eigenschaften des Bodens. Eigenlasten, Nutzlasten und klimatisch bedingte Lasten müssen dauerhaft, sicher und setzungsarm auf den Baugrund übertragen werden. Ist der Baugrund nicht geeignet, den geplanten Beanspruchungen zu widerstehen, so kommt eine technische Anpassung der Eigenschaften des Baugrunds an die Anforderungen in Betracht.
Das Tiefenrütteln zur Verdrängung und Verdichtung des Baugrunds sowie das Herstellen von Bohrpfählen als zusätzliche stabilitätsfördernde Strukturelemente stellen hier etablierte Verfahren dar.
Eine Möglichkeit, die Eigenschaften des Baugrunds bei Bauvorhaben zu verbessern besteht darin, pfahlartige Gründungselemente im Baugrund herzustellen, über die verhältnismäßig hohe Lasten abgetragen werden können. Eine Möglichkeit zur Herstellung von Pfahlgründungen bietet das Herstellen von Bohrpfählen. Allgemein wird bei diesem Verfahren ein Bohrwerkzeug unter Aufbringung einer Vertikalkraft und eines Bohrmoments in den Baugrund abgeteuft. In die entstandene Bohrung wird ein Zusatzmaterial eingebracht, das den Bohrpfahl ausbildet. Das Zusatzmaterial kann durch eine Hohlseele des Bohrwerkzeugs, in diesem Fall auch Hohlbohrwerkzeug genannt, eingebracht werden oder aber separat in die Bohrung gefüllt werden.
Exemplarisch wird auf das Teil- und Vollverdrängungsbohrverfahren eingegangen. Weitere Verfahrensausprägungen sind dem Fachmann bekannt und werden daher nicht gesondert betrachtet.
Beim Teilverdrängungsbohrverfahren wird eine durchgehende Hohlbohrschnecke verwendet. Diese besteht aus einem Bohrrohr, das außen mit einer Schneckenwendel versehen ist und an einem unteren Ende durch eine Fußplatte verschlossen ist. Konventionelle Hohlbohrschnecken für derartige Einsatzzwecke sind etwa 3 bis 50 m lang und haben einen Durchmesser von etwa 300 bis 1100 mm. Unter Aufbringung einer Vertikalkraft und eines Drehmoments wird die Hohlbohrschnecke in den Baugrund abgeteuft. Der umgebende Baugrund wird verdrängt und gleichzeitig verdichtet. Durch die am Bohrrohr, auch Hohlseele genannte, außen angebrachte Schneckenwendel findet zusätzlich eine Förderung von Baugrundmaterial statt. Wenn die Hohlbohrschnecke bis in einen tragfähigen Bereich des Baugrunds vorgedrungen ist, wird teilweise eine sogenannte Bewehrung in die Hohlseele eingebracht. Anschließend wird Beton oder ein alternatives Füllmaterial wie zum Beispiel Mörtel für den Verdrängungsbohrpfahl unter gleichzeitigem Zurückziehen der Hohlbohrschnecke eingepumpt oder eingefüllt. Dabei verbleibt üblicherweise die Fußplatte im Baugrund, wenn die Bewehrung vor dem Ziehen eingebracht werden soll.
Beim Vollverdrängungsbohrverfahren wird ein Bohrrohr, an dessen Ende eine Anfängerspitze, üblicherweise mit Schraubengängen, angebracht ist, unter Ausübung einer Vertikalkraft und eines Drehmoments in den Boden abgeteuft. Dabei haben sich mehrere Varianten etabliert, welche sich hauptsächlich durch die Form der Bohrspitze und dem im Boden verbleibenden Teil der Spitze unterscheiden. Konventionelle Vollverdrängungsbohrwerkzeuge für derartige Einsatzzwecke sind etwa 3 bis 50 m lang und haben einen Durchmesser von etwa 200 bis 1000 mm. Die Spitze verdrängt dabei den Boden nahezu vollständig in seitlicher Richtung und verdichtet dadurch das Erdreich, das den späteren Pfahl umgibt. Eine nennenswerte vertikale Bodenförderung bis zur Erdoberfläche findet hier nicht statt. Ist das Bohrrohr bis in den tragfähigen Untergrund vorgedrungen, wird teilweise Bewehrung in das Bohrrohr eingebracht. Anschließend wird der Beton unter gleichzeitigem Ziehen des Bohrrohres eingepumpt oder geschüttet.
Der Durchmesser von Verdrängungsbohrpfählen liegt üblicherweise im Bereich von 200 bis 1000 mm.
Wenn im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung von Verdrängungsbohrpfählen, Hohlbohrwerkzeugen oder allgemein Bohrwerkzeugen gesprochen wird, sind stets alle bekannten Ausführungsvarianten an Verfahren und entsprechenden Werkzeugen eingeschlossen.
Neben den oben beschriebenen Varianten von Bohrwerkzeugen bilden auch alle sonstigen bekannten Varianten von Bohrwerkzeugen den technologischen Hintergrund für die in dieser Anmeldung beschriebene Erfindung. So gibt es beispielsweise Bohrwerkzeuge, bei denen die Spitze im Baugrund verbleiben kann oder bei denen die Spitze mit dem Bohrwerkzeug wieder aus dem Baugrund herausziehbar ist. Ferner gibt es Bohrwerkzeuge, bei denen die Bohrwendel wahlweise an der Spitze, dem Bohrrohr oder an der Spitze und dem Bohrrohr vorgesehen ist. Auch Bohrwerkzeuge ohne Bohrwendel, bei denen das Bohrmoment beispielsweise über eine äußere Oberfläche mit entsprechenden Reibungseigenschaften auf den Baugrund übertragbar ist, sind möglich. Ferner sind beliebige Kombinationen dieser und anderer bekannter Varianten denkbar.
Eine weitere Möglichkeit, die Eigenschaften des Baugrunds bei Bauvorhaben zu verbessern besteht in sogenannten Tiefenrüttelverfahren. Diese betreffen im Allgemeinen Verfahren zur Verdichtung und Verfestigung von Baugründen, wobei mit einem Werkzeug, einem sogenannten Tiefenrüttler, der Baugrund verdrängt und dabei verfestigt wird. Dieses Verfahren und die zugehörigen Werkzeuge, die Tiefenrüttler, sind dem Fachmann allgemein bekannt. Der Tiefenrüttler wird dabei unter Aufbringung einer Vertikalkraft in den Untergrund abgeteuft und erzeugt während des Abteufens horizontale Schwingung. Konventionelle Tiefenrüttler für derartige Einsatzzwecke sind etwa 2 bis 5 m lang, haben einen Durchmesser von etwa 300 bis 900 mm und sind circa 1 bis 6 t schwer. Ihre Länge wird mit Aufsatzrohren an die vorgesehene Arbeitstiefe angepasst. Dabei werden die Tiefenrüttler von Kränen, Baggern oder speziell entwickelten Trägergeräten geführt. Eine Frequenz der durch konventionelle Tiefenrüttler erzeugten Schwingungen liegt im Bereich der Eigenfrequenz des Baugrundes, typischerweise zwischen 25 und 60 Hz. Die Schwingungen liegen sowohl als dynamische horizontale Auslenkung des Tiefenrüttlers vor, als auch in Form einer dynamischen horizontalen Kraft, die vom Tiefenrüttler auf das umliegende Erdreich ausgeübt wird. Da solche mechanischen Zusammenhänge dem Fachmann hinreichend bekannt sind, wird in Folgenden nicht mehr zwischen einer Kraft- und Auslenkungsschwingung unterschieden, denn eine Kraft, die auf einen Körper wirkt, übt auch immer eine Beschleunigung auf diesen Körper aus, was eine bestimmte Auslenkung des Körpers zur Folge hat. Die horizontalen Schwingungen übertragen sich also auf den umliegenden Baugrund. Ist das Material des Baugrunds kompressibel, führen die horizontalen Schwingungen zu einer Verdrängung und damit Verdichtung des Untergrunds in sich selbst. Aus der Verdichtung resultiert eine Verfestigung des Baugrunds.
Exemplarisch wird auf das sogenannten Rütteldruckverfahren, eine Ausprägungsform des Tiefenrüttelverfahrens, eingegangen, bei dem der Tiefenrüttler mehrfach und in bestimmten Abständen in den Baugrund abgeteuft und wieder zurückgezogen wird. Durch die Schwingungen des Tiefenrüttlers wird die Reibungskraft zwischen den Baugrundkörnern untereinander kurzzeitig reduziert. Infolge der Schwerkraft können die Körner des Baugrundmaterials dann in einen dichteren Lagerungszustand übergehen, sobald der Tiefenrüttler aus einem durch ihn verdrängten Bereich des Baugrunds zurückgezogen wird. Auf diese Weise können vorhandene Hohlräume im Baugrund verkleinert oder ganz geschlossen werden. Besonders grobkörnige Baugründe, die zum Beispiel aus grobem Sand, Kies oder kleinen Steinen bestehen, eignen sich gut für eine derartige Verdichtung. Da es in Folge der Verdichtung zu einer Volumenabnahme kommt, muss diese in der Regel durch oberflächliches Nachschütten von Material ausgeglichen werden. Es ergibt sich ein verfestigter Baugrund mit gleichem Höhenniveau, der geeignet ist, größere Lasten abzutragen.
Weiterhin exemplarisch wird eine weitere Ausprägungsform des Tiefenrüttelverfahrens beschrieben, das sogenannte Rüttelstopfverfahren. Es eignet sich für Baugrundmaterialien mit geringen Korngrößen, wie zum Beispiel Schluff oder Ton sowie organischen Materialien. Bei solchen Materialien ist eine Verdichtung des Baugrunds in sich selbst nicht mehr in ausreichendem Maße möglich. Beim Rüttelstopfverfahren wird mit einem Tiefenrüttler in alternierenden Schritten gearbeitet. Mit dem in den Baugrund abgeteuften Tiefenrüttler wird ein Zusatzmaterial, zum Beispiel Kies oder Schotter oder auch Beton, in den Baugrund eingebracht, welches nach der Fertigstellung eine höhere Steifigkeit als der umgebende Boden aufweist. Das Zusatzmaterial tritt an der Spitze des Tiefenrüttlers aus, wenn dieser eine Hubbewegung ausführt. In der Regel wird das Zusatzmaterial an der Erdoberfläche durch eine Schleuse in den Tiefenrüttler gegeben und durch eine außenliegende Hohlseele in die Arbeitstiefe des Tiefenrüttlers geführt. Das ausgetretene Zusatzmaterial wird bei der auf die Hubbewegung folgenden Absenkbewegung des Tiefenrüttlers verdichtet sowie seitlich in den Baugrund verdrängt. Auf diese Weise entstehen sukzessive sogenannte Stopfsäulen, die im Verbund mit dem Baugrund geeignet sind, die Lasten abzutragen.
Im Folgenden sind, wenn von Tiefenrüttelverfahren oder Tiefenrüttlern gesprochen wird, stets alle bekannten Ausführungsvarianten eingeschlossen.
Exemplarisch wird ein konventioneller Tiefenrüttler beschrieben. Tiefenrüttler sind dem Fachmann allgemein und hinreichend bekannt. Sie weisen ein Gestänge auf, das aus einem oder mehreren Verlängerungsrohren besteht. Durch sie kann der Tiefenrüttler in die gewünschte Tiefe abgeteuft werden. Bei Tiefenrüttlern für das Rüttelstopfverfahren kann zusätzlich eine Hohlseele zur Führung des Zusatzmaterials vorgesehen sein. Über eine elastische Kupplung ist der Kopf des Tiefenrüttlers mit dem Gestänge verbundene. Der Kopf besteht in der Regel aus einem länglichen Gehäuse, in dessen Innern eine Mechanik und ein Antriebsenergiequelle zur Erzeugung horizontaler Schwingungen angeordnet sind. Die Mechanik besteht aus einer Masse mit exzentrischem Massenschwerpunkt, mit anderen Worten einer Unwucht sowie einer Lagerung und einer Antriebswelle. Die Lagerung schränkt die Freiheitsgrade von Antriebswelle und Unwucht bis auf einen rotatorischen Freiheitsgrad ein. Bei konventionellen Tiefenrüttlern ist als Antriebsenergiequelle ein Elektro- oder Hydraulikmotor vorgesehen, der meist über ein formschlüssiges Getriebe mit der Antriebswelle wirkverbunden ist. Der Motor mit Getriebe und die Mechanik bilden zusammen einen Antriebsstrang. Liefert der Motor Antriebsenergie an die Antriebswelle mit der Unwucht, so beginnt diese zu rotieren. An der Masse mit exzentrischem Schwerpunkt treten dynamische Fliehkräfte auf, die eine Querbeschleunigung der gesamten Mechanik zur Folge haben. Die Mechanik wird also in horizontale Schwingungen versetzt. Über die Lagerung übertragen sich die Schwingungen auf das Gehäuse des Tiefenrüttlers.
Die bekannten Antriebskonzepte weisen jedoch einige Nachteile auf. So entwickeln elektrische Antriebe ein hohes Maß an Abwärme. Die Systemkosten und der Wartungsaufwand werden ebenfalls negativ beeinflusst. Bei hydraulischen Antrieben besteht der Nachteil in der notwendigen Speicherung und permanenten Aufbereitung der Hydraulikflüssigkeit. Leckageverluste und Druckverluste in Rohr- und Schlauchleitungen stellen weitere negative Aspekte dar.
DE 10 006 973 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung von Bohrpfählen nach dem Verdrängungsdrehbohrverfahren. Hierbei ist an einem endseitigen Ende eines Bohrrohres, welches über ein elastisches Gelenk von einem oberen Abschnitt des Rohres getrennt ist, ein Schwingungserzeuger angeordnet.
DE 199 30 884 A1 offenbart ein Verfahren zur Verdichtung von Böden mittels eines Tiefenrüttlers. Hierbei wird eine Größe der bewegten Unwuchtmasse zur Veränderung der effektiven Schlagkraft währen des Rüttelvorgangs verändert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen und ein entsprechendes Bohrwerkzeug der eingangs genannten Gattung zur Herstellung von Bohrungen und Bohrpfählen zu liefern, wobei das Bohrwerkzeug zudem einfach aufgebaut und flexibel an den jeweiligen Baugrund anpassbar sein soll, und wobei die Effizienz des Verfahrens sowie des Bohrwerkzeugs verbessert sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verdrängung und Verfestigung von Baugrundmaterial sowie einen Tiefenrüttler der eingangs genannten Gattungen zu schaffen, der einfach aufgebaut und flexibel an den jeweiligen Baugrund anpassbar ist.
Die Aufgaben werden durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 gelöst.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen. Ein Bohrwerkzeug wird dabei unter Aufbringung eines Bohrmoments und einer Vertikalkraft in den Baugrund abgeteuft, wieder zurückgezogen und es wird ein Zusatzmaterial in die entstandene Bohrung eingebracht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bohrwerkzeug, während dieses in den Baugrund abgeteuft wird und/oder während des Zurückziehens des Bohrwerkzeugs, durch einen oder mehrere Aktoren in Schwingung versetzt wird, wobei eine resultierende Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil aufweist.
Dies bietet den Vorteil, dass die Reibung zwischen dem Baugrund und dem Bohrwerkzeug reduziert wird und damit die Kräfte, die für eine Verdrängung und/oder Förderung des Baugrundes durch das Bohrwerkzeug erforderlich sind, reduziert werden und auf den Baugrund eine horizontal radial nach außen wirkende Kraft aufgebracht wird. Der Verschleiß des Bohrwerkzeugs wird dadurch gesenkt. Eine Verdichtung des Baugrundmaterials wird begünstigt.
Bevorzugt werden Aktoren verwendet, die eine Schwingung mit einer Amplitude im Bereich von 0,01 mm bis 5 mm, weiterhin bevorzugt 0,02 mm bis 3 mm und besonders bevorzugt 0,03 mm bis 2 mm hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Auslenkung des Bohrwerkzeugs erzeugen. Eine Amplitude hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Kraft beträgt vorzugsweise 0,5 kN bis 1000 kN, weiterhin bevorzugt 1 kN bis 700 kN und besonders bevorzugt 25 kN bis 400 kN. Dies bietet den Vorteil, dass eine seitliche Verdrängung von Baugrund nur soweit erfolgt, wie es für die Reduktion der Reibung zwischen dem Baugrund und dem Bohrwerkzeug erforderlich ist und gegebenenfalls eine stattfindende vertikale Förderung von Baugrundmaterial nicht beeinträchtigt wird. Weiterhin wird ein Energiebedarf der Aktoren vorteilhaft gering gehalten.
Bevorzugt sind die Aktoren als eine oder mehrere voneinander unabhängige Strömungsmaschinen, besonders bevorzugt als eine oder mehrere pneumatische Turbinen ausgeführt, in denen jeweils eine oder mehrere Unwuchten integriert sind.
Dies bietet die Vorteile, dass eine große Bandbreite an Betriebsfrequenzen und erzeugbaren Fliehkräften zu Verfügung steht und daher eine vergleichsweise flexible und kostengünstige Form von Aktoren verwendet wird.
Die pneumatischen Turbinen werden vorzugsweise bei Drehzahlen von 1 U/min bis 100.000 U/min, besonders bevorzugt 1 U/min bis 50.000 U/min und insbesondere bevorzugt 1 U/min bis 30.000 U/min betrieben.
Wenn die pneumatischen Turbinen mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden sollen, so können zum Beispiel Turbinen mit verstellbaren Turbinenschaufeln verwendet werden. Auch können Mittel zu Beeinflussung des Luftstroms verwendet werden, wie zum Beispiel Ventile, Klappen oder geeignet gestaltete Gehäuseelemente des Bohrwerkzeugs. Grundsätzlich sind dem Fachmann Vorgehensweisen voneinander unabhängigen Betrieb mehrerer Turbinen bekannt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass als Bohrwerkzeug ein Hohlbohrwerkzeug verwendet wird, das wenigstens eine Hohlseele aufweist und dass das Zusatzmaterial durch die Hohlseele des Hohlbohrwerkzeugs in die Bohrung gefüllt wird, vor Beginn und/oder während und/oder nach dem Zurückziehen des Hohlbohrwerkzeugs.
Dies bietet den Vorteil, dass sowohl die Bohrung, als auch der Bohrpfahl in einem Arbeitsgang herstellbar sind.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Bewehrung in die Hohlseele des Hohlbohrwerkzeugs eingebracht wird, bevor das Füllmaterial in die Hohlseele des Hohlbohrwerkzeugs eingefüllt wird.
Dies bietet den Vorteil, dass der Bohrpfahl zusammen mit der Bewehrung in einem Arbeitsvorgang hergestellt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug zur Herstellung von Bohrungen oder Bohrpfählen in einem Baugrund. Die herstellbaren Bohrungen sind insbesondere geeignet für Bohrpfähle. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bohrwerkzeug wenigstens eine Strömungsmaschine aufweist, wobei in wenigstens einen Rotor der wenigstens einen Strömungsmaschine wenigstens eine Unwucht integriert ist und der Rotor um eine Längsachse des Bohrwerkzeugs drehbar in dem Bohrwerkzeug gelagert ist, so dass eine resultierende Schwingung erzeugbar ist, deren Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil aufweist.
Bohrwerkzeug im Sinne der Erfindung ist jede Vorrichtung, mit der sich ein Bohrmoment, mit anderen Worten eine Umfangskraft, über eine äußere Oberfläche der Vorrichtung auf den umgebenen Baugrund übertragen lässt.
Dies bietet den Vorteil, dass durch entsprechende Auslegung der wenigstens einen Unwucht ein dynamisches Betriebsverhalten des Bohrwerkzeugs einstellbar ist.
Die Strömungsmaschine ist vorzugsweise bei Drehzahlen von 1 U/min bis 100.000 U/min, besonders bevorzugt von 1 U/min bis 50.000 U/min und insbesondere bevorzugt von 1 U/min bis 30.000 U/min betreibbar. Die Unwucht ist vorzugsweise derart ausgelegt und in den Rotor der Strömungsmaschine integriert, dass das Bohrwerkzeug ausgebildet ist, im Betrieb eine Schwingung mit einer Amplitude im Bereich von 0,01 mm bis 5 mm, weiterhin bevorzugt 0,02 mm bis 3 mm und besonders bevorzugt 0,03 mm bis 2 mm hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Auslenkung des Bohrwerkzeugs auszuführen beziehungsweise eine Schwingung mit einer Amplitude hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Kraft von vorzugsweise 0,5 kN bis 1000 kN, weiterhin bevorzugt 1 kN bis 700 kN und besonders bevorzugt 25 kN bis 400 kN auszuführen. Dies bietet den Vorteil, dass die Strömungsmaschine mit einer hohen Drehzahl betreibbar ist, was sich positiv auf einen Wirkungsgrad der Strömungsmaschine auswirkt.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
So ist bevorzugt vorgesehen, dass das Bohrwerkzeug zumindest abschnittsweise mit einer Bohrwendel und/oder einer Spitze mit Schraubengängen versehen ist.
Dies bietet den Vorteil, dass das Bohrwerkzeug, hinsichtlich seiner Eignung Baugrundmaterial zu fördern und/oder zu verdrängen, flexibel anpassbar ist.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Bohrwerkzeug ein Hohlbohrwerkzeug, aufweisend wenigstens eine Hohlseele, ist.
Dies bietet den Vorteil, dass mit dem Hohlbohrwerkzeug Bohrpfähle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen herstellbar sind.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die wenigstens eine Strömungsmaschine als wenigstens eine pneumatische Turbine ausgeführt ist.
Dies bietet den Vorteil, dass sehr hohe Drehzahlen erreichbar sind und die Turbine mit einem kostengünstigen und risikoarmen Arbeitsfluid betreibbar ist.
Wenn die pneumatischen Turbinen mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sein sollen, so können diese zum Beispiel verstellbare Turbinenschaufeln aufweisen. Auch können Mittel zu Beeinflussung des Luftstroms im Bohrwerkzeug vorgesehen sein, wie zum Beispiel Ventile, Klappen oder geeignet gestaltete Gehäuseelemente. Grundsätzlich ist dem Fachmann bekannt, wie er Turbinen beziehungsweise das System, das das Betriebsfluid bereitstellt, zu gestalten hat, damit diese bei unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Laufrad mit Turbinenschaufeln auf einer Hohlachse gelagert ist, die als Hohlseele ausgeführt ist.
Dies bietet den Vorteil, dass die Komplexität der Konstruktion reduziert wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Tiefenrüttler zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials, aufweisend zumindest eine rotatorisch bewegbare Unwucht, wobei der Tiefenrüttler wenigstens eine Strömungsmaschine als Antrieb für die Unwucht aufweist und wobei die wenigstens eine Strömungsmaschine wenigstens eine pneumatisch angetriebene Turbine umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die wenigstens eine pneumatisch angetriebene Turbine, mit der zumindest einen Unwucht über zumindest eine Induktionskupplung wirkverbunden ist.
Eine pneumatische Turbine kann vorteilhaft ausgebildet sein, permanent mit einem maximalen Drehmoment betrieben werden. Drehzahlunterschiede zwischen Turbine und Unwucht sind durch die Induktionskupplung vorteilhaft ausgleichbar, so dass kein auf Formschluss beruhendes mechanisches Getriebe erforderlich ist. Reibungsverluste können dadurch vorteilhaft vermieden werden. Dies führt auch zu einem verringerten Wartungsaufwand. Die Auslegung auf Luft als Betriebsfluid für die Turbine bietet weiterhin den Vorteil, dass eine Speicherung und permanenten Aufbereitung des Betriebsfluids entfallen kann.
Die Induktionskupplung zählt zur Klasse der fremdbetätigten schaltbaren Kupplungen mit kraftschlüssigem Wirkprinzip. Die Kraft- beziehungsweise Momentübertragung beruht dabei auf dem Prinzip eines sich verändernden Magnetfeldes, das auf einen passiven elektrischen Leiter wirkt. Die Antriebsseite der Kupplung kann zum Beispiel das Magnetfeld erzeugen und wird im Folgenden als aktive Seite bezeichnet. Sowohl Permanentmagnete als auch Elektromagnete können verwendet werden, um das Magnetfeld zu erzeugen. Wird ein Elektromagnet verwendet, kann dieser aus einem oder mehreren elektrischen Leitern bestehen, die von einem regelbaren Strom durchflossen werden können. Eine physische Kontaktierung der Antriebsseite (aktive Seite) und der Abtriebsseite (passive Seite), im Folgenden passive Seite genannt, findet bei Induktionskupplungen nicht statt. Die passive Seite kann bevorzugt einen in sich kurzgeschlossenen elektrischen Leiter aufweisen, der nicht aktiv mit einer elektrischen Spannung versorgt wird. Besteht eine Drehzahldifferenz zwischen aktiver und passiver Seite, resultiert daraus eine Relativbewegung zwischen der aktiven und passiven Seite. Das von der aktiven Seite erzeugte Magnetfeld wird also relativ zu dem kurzgeschlossenen Leiter der passiven Seite bewegt. Als Resultat wirkt die Lorenzkraft auf den kurzgeschlossenen Leiter wodurch ein Drehmoment von der Antriebsseite (aktive Seite) auf die Abtriebsseite (passive Seite) der Induktionskupplung übertragbar ist. Das Drehmoment kann bevorzugt durch die Regelung des elektrischen Stroms, der durch den elektrischen Leiter der aktiven Antriebseite fließt, erfolgen. Ein Vertauschen der aktiven und passiven Seite ist ebenfalls möglich. Möglich ist auch eine Verwendung von zwei aktiven Seiten. Diese konstruktiven Abwandlungen werden bei Bedarf durch den Fachmann eigenständig vorgenommen. Die Induktionskupplung ermöglicht einen Betrieb mit einer dauerhaften Drehzahldifferenz zwischen An- und Abtriebsseite.
Bevorzugt wird eine Induktionskupplung verwendet, die ausgebildet ist, Drehmomente von mehr als 1 Nm antriebsseitig zu übertragen. Bevorzugt liegen die antriebseitig übertragbaren Drehmomentwerte im Bereich von 5 Nm bis 100 Nm, besonders bevorzugt von 10 Nm bis 40 Nm. Weiterhin bevorzugt ist die Induktionskupplung in Drehzahlbereichen an der Antriebsseite zwischen 500 U/min (Umdrehungen pro Minute) und 50.000 U/min, bevorzugt zwischen 10.000 U/min und 40.000 U/min und insbesondere bevorzugt zwischen 10.000 U/min und 30.000 U/min betreibbar. Eine durch die Induktionskupplung übertragbare mechanische Leistung liegt bevorzugt im Bereich von 5 kW bis 200 kW, besonders bevorzugt von 10 kW bis 60 kW und insbesondere bevorzugt von 20 kW bis 50 kW.
Dies bietet den Vorteil, dass große Drehzahlunterschiede zwischen pneumatischer Turbine und rotierender Unwucht ausgeglichen werden können und gleichzeitig ein großes Drehmoment zum Antreiben der Unwucht zur Verfügung steht. Der Platzbedarf der Induktionskupplung bleibt dabei vorteilhaft im Bereich eines Durchmessers konventioneller Tiefenrüttler.
Bevorzugt wird eine Induktionskupplung mit Permanentmagneten verwendet.
Dies bietet den Vorteil, dass eine aktive Versorgung der Induktionskupplung mit elektrischer Energie entfallen kann.
Weiterhin bevorzugt wird eine Induktionskupplung mit Elektromagnet verwendet.
Dies bietet den Vorteil, dass das mechanische und thermische Verhalten der Induktionskupplung über den Stromfluss regelbar ist.
Weiterhin bevorzugt ist, dass die Antriebsseite der Induktionskupplung, mit anderen Worten die der pneumatischen Turbine zugewandte Seite der Induktionskupplung, als passive Seite ausgeführt ist und dass die Abtriebsseite, also die der Unwucht zugewandten Seite, als aktive Seite ausgeführt ist.
Dies bietet den Vorteil, dass in der passiven Seite (Antriebsseite) durch den elektrischen Stromfluss entstehende Widerstandverluste in Form von Wärme abgeführt und der pneumatischen Turbine zugeführt werden können.
Weiterhin bevorzugt ist eine Anordnung mehrerer in Reihe geschalteter Induktionskupplungen.
Dies bietet den Vorteil, dass für eine effektive Drehmomentübertragung benötigte relative Drehzahlen zwischen An- und Abtriebsseite reduziert werden können.
Vorzugsweise beträgt eine Masse der rotatorisch bewegbaren Unwucht zwischen 1 kg und 200 kg, besonders bevorzugt zwischen 5 kg und 60 kg. Ein Massenschwerpunkt der rotatorisch bewegbaren Unwucht liegt, bezogen auf eine Rotationsachse, bevorzugt in einem maximalen radialen Abstand zu der Rotationsachse. Als begrenzende Randbedingung wirkt ein zur Verfügung stehender Bauraum.
Dies bietet den Vorteil, dass durch die Rotation der Unwucht mit Drehzahlen, die mit dem Bereich der Eigenfrequenz des Baugrundes korrespondieren, ausreichend große Fliehkräfte beziehungsweise Schwingungsamplituden erzeugbar sind.
Die pneumatische Turbine ist vorzugsweise bei Drehzahlen von 500 U/min und 50.000 U/min, bevorzugt zwischen 10.000 U/min und 40.000 U/min und insbesondere bevorzugt zwischen 10.000 U/min und 30.000 U/min betreibbar. Ein von der pneumatischen Turbine erzeugbares Drehmoment liegt bevorzugt im Bereich von 1 Nm bis 100 Nm, besonders bevorzugt von 10 Nm bis 40 Nm, insbesondere bevorzugt bei 15 Nm bis 25 Nm. Eine Druckdifferenz von einer für den Betrieb der pneumatischen Turbine verwendbaren Luftmenge beträgt, von einem Turbineneintritt bis zu einem Turbinenaustritt, bevorzugt zwischen 1 bar und 30 bar, weiterhin bevorzugt 2 bar und 20 bar und besonders bevorzugt zwischen 3 bar und 15 bar. Dies bietet den Vorteil, dass die pneumatische Turbine bei hohem Wirkungsgrad ein großes Drehmoment bereitstellen kann.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale.
So ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Induktionskupplung ausgebildet ist Rotationsfrequenzen an der Antriebsseite (Antriebswelle) in Rotationsfrequenzen von vorzugsweise zwischen 5 Hz und 120 Hz, besonders bevorzugt zwischen 15 Hz und 90 Hz und insbesondere bevorzugt zwischen 25 Hz und 60 Hz an der Welle auf der Abtriebsseite (Abtriebswelle) der Induktionskupplung zu wandeln.
Dies bietet den Vorteil, dass die pneumatische Turbine permanent in einem für sie optimalen Drehzahlbereich betreibbar ist, während die Drehzahl der rotatorisch bewegbaren Unwucht im Eigenfrequenzbereich des Baugrunds angesiedelt sein kann.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials offenbart, wobei ein Tiefenrüttler unter Aufbringung einer Vertikalkraft in den Baugrund abgeteuft wird und der Tiefenrüttler während des Abteufens in Schwingung versetzt wird, wobei eine resultierende Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Schwingungen durch wenigstens zwei kinematisch unabhängige rotatorisch bewegte Unwuchten erzeugt werden, wobei die resultierende Schwingung durch Überlagerung der einzelnen Schwingungen der unabhängigen Unwuchten einstellbar ist.
Dies bietet den Vorteil, dass auf die Frequenz der resultierenden Schwingung unabhängig von der Rotationsfrequenz der rotatorisch bewegten Unwuchten eingestellt werden kann und der Eigenfrequenz des Baugrunds flexibel angepasst werden kann.
Bevorzugt liegen die Rotationsfrequenzen der jeweiligen rotatorisch bewegten Unwuchten zwischen 20 Hz und 600 Hz, besonders bevorzugt zwischen 30 Hz und 500 Hz und insbesondere bevorzugt zwischen 50 Hz und 450 Hz. Die Frequenz der resultierenden Überlagerungsschwingung liegt vorzugsweise zwischen 5 Hz und 120 Hz, besonders bevorzugt zwischen 15 Hz und 90 Hz und insbesondere bevorzugt zwischen 25 Hz und 60 Hz.
Dies bietet den Vorteil, dass durch die großen einzelnen Rotationsfrequenzen große Fliehkräfte erzeugt werden können und gleichzeitig die Frequenz der resultierenden Schwingung der geringeren Eigenfrequenz des Baugrunds angepasst werden kann.
Weiterhin bevorzugt wird in dem Verfahren eine dynamische resultierende Fliehkraft durch die rotierenden Unwuchten erzeugt. Ein maximaler Betrag der resultierenden Fliehkraft beträgt vorzugsweise 25 kN bis 700 kN, weiterhin bevorzugt 50 kN bis 600 kN und besonders bevorzugt 100 kN bis 500 kN. Weiterhin bevorzugt wird in dem Verfahren eine dynamische resultierende radiale beziehungsweise horizontalen Auslenkung (Amplitude) des Tiefenrüttlers bezogen auf einen Zustand außerhalb des Baugrunds, in dem eine freie Schwingung möglich ist, erzeugt, von der ein maximaler Betrag vorzugsweise 2 mm bis 40 mm, weiterhin bevorzugt 5 mm bis 30 mm und besonders bevorzugt 7 mm bis 20 mm beträgt.
Es wurde gefunden, dass diese Prozessparameter eine besonders vorteilhafte Verdichtung von in dem erfindungsgemäßen Verfahren üblicherweise bearbeiteten Baugrundmaterialien ermöglichen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die rotatorische Bewegung der Unwuchten durch wenigstens eine Strömungsmaschine bewirkt wird.
Strömungsmaschinen bieten auf Grund ihrer erreichbaren hohen Drehzahlen besondere Vorteile bei der Erzeugung großer Fliehkräfte.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass als die wenigstens eine Strömungsmaschine wenigstens eine pneumatische Turbine verwendet wird. Die pneumatische Turbine wird vorzugsweise bei Drehzahlen von 500 U/min bis 50.000 U/min, besonders bevorzugt von 10.000 U/min bis 40.000 U/min und insbesondere bevorzugt von 10.000 U/min bis 30.000 U/min betrieben. Ein von der pneumatischen Turbine erzeugtes Drehmoment liegt bevorzugt im Bereich 1 Nm bis 100 Nm, besonders bevorzugt von 10 Nm bis 40 Nm_und insbesondere bevorzugt bei 15 Nm bis 25 Nm. Eine Druckdifferenz von einer für den Betrieb der pneumatischen Turbine verwendeten Luftmenge beträgt, von einem Turbineneintritt bis zu einem Turbinenaustritt, bevorzugt zwischen 1 bar und 30 bar, weiterhin bevorzugt zwischen 2 bar und 20 bar und besonders bevorzugt zwischen 3 bar und 15 bar.
Dies bietet den Vorteil, dass sehr hohe Drehzahlen erreicht werden und die Turbine an einem Arbeitspunkt betrieben wird an dem der Wirkungsgrad hoch ist. Weitere Vorteile ergeben sich aus einem kostengünstigen und risikoarmen Arbeitsfluid in Form von Druckluft.
Wenn die pneumatischen Turbinen mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden sollen, so können zum Beispiel Turbinen mit verstellbaren Turbinenschaufeln verwendet werden. Auch können Mittel zu Beeinflussung des Luftstroms verwendet werden, wie zum Beispiel Ventile, Klappen oder geeignet gestaltete Gehäuseelemente des Tiefenrüttlers. Grundsätzlich sind dem Fachmann Vorgehensweisen voneinander unabhängigen Betrieb mehrerer Turbinen bekannt.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Tiefenrüttler zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials offenbart, der eine oder mehrere rotatorisch bewegbare Unwuchten aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Unwuchten in jeweils einer zugehörigen pneumatischen Turbine integriert sind.
Dies bietet den Vorteil, dass der Tiefenrüttler eine geringere Anzahl bewegter Komponenten, insbesondere relativ zueinander bewegter Komponenten aufweist. Die Systemkomplexität wird vorteilhaft reduziert.
In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Unwuchten in einem oder mehreren Laufrädern der pneumatischen Turbine angeordnet. Möglich ist auch eine Anordnung der Unwuchten in jeweils einer Welle, für den Fall, dass alle Turbinenstufen auf einer separaten Welle gelagert sind.
Beide Varianten bieten den Vorteil, dass eine Massenverteilung der Unwuchten gezielt und genau auslegbar ist. Weiterhin ermöglicht eine dezentrale Anordnung der Unwuchten in der Turbine einen partiellen Umbau, um Masseeigenschaften der Turbine beziehungsweise der Unwuchten gezielt zu verändern.
Wenn die pneumatischen Turbinen mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sein sollen, so können diese zum Beispiel verstellbare Turbinenschaufeln aufweisen. Auch können Mittel zu Beeinflussung des Luftstroms im Tiefenrüttler vorgesehen sein, wie zum Beispiel Ventile, Klappen oder geeignet gestaltete Gehäuseelemente. Grundsätzlich ist dem Fachmann bekannt, wie er Turbinen beziehungsweise das System, das das Betriebsfluid bereitstellt, zu gestalten hat, damit diese bei unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind.
Vorzugsweise betragen Massen der rotatorisch bewegbaren Unwuchten jeweils zwischen 0,1 kg und 3 kg, besonders bevorzugt zwischen 0,2 kg und 2 kg. Ein Massenschwerpunkt der rotatorisch bewegbaren Unwucht liegt, bezogen auf eine Rotationsachse bevorzugt in einem maximalen radialen Abstand zu der Rotationsachse. Als begrenzende Randbedingung wirkt ein zur Verfügung stehender Bauraum.
Dies bietet den Vorteil, dass durch die Rotation der Unwuchten mit Drehzahlen, die durch die Schwingungsüberlagerung mit dem Bereich der Eigenfrequenz des Baugrundes korrespondieren, ausreichend große Fliehkräfte beziehungsweise Schwingungsamplituden erzeugbar sind.
Die pneumatischen Turbinen mit den Unwuchten sind vorzugsweise bei Drehzahlen von 1 U/min bis 100.000 U/min, besonders bevorzugt von 1 U/min bis 50.000 U/min und insbesondere bevorzugt von 1 U/min bis 30.000 U/min betreibbar.
Weitere Ausführungsvarianten ergeben sich durch vorteilhafte Kombination der genannten und der in den Ausführungsbeispielen enthaltenen Merkmale. Ferner ist eine Übertragung der offenbarten technischen Lehre auf weitere Verfahren und zugehörige Vorrichtungen zu Verbesserung der mechanischen Baugrundeigenschaften möglich, bei denen eine Erzeugung horizontaler Schwingungen einen spezifischen Vorteil mit sich bringt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1: eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Verdrängungsbohrpfählen;
Figur 2: eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hohlbohrwerkzeugs;
Figur 3: eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefenrüttlers mit pneumatischer Turbine und Induktionskupplung;
Figur 4: eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials und
Figur 5: eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefenrüttlers mit zwei unabhängigen pneumatischen Turbinen mit integrierten Unwuchten;

Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Verdrängungsbohrpfählen in schematischer Darstellung. Die zeitliche Abfolge der Verfahrensschritte geht aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein Hohlbohrwerkzeug 47 wird dabei unter Aufbringung eines Bohrmoments 48 um eine Rotationsachse R und einer Vertikalkraft 50 entlang einer Rotationsachse R in den Baugrund 28 abgeteuft. Durch Aktoren 56 in Form von zwei voneinander unabhängigen pneumatischen Turbinen 42 mit integrierten Unwuchten 76 wird das Hohlbohrwerkzeug 47, während dieses in den Baugrund 28 abgeteuft wird, in Schwingung 58 versetzt. Dabei werden zunächst mehrere Schwingungen 36 durch die zwei rotatorisch mit den Turbinen 42 bewegten Unwuchten 76 erzeugt. Die resultierende Schwingung 58 ist durch Überlagerung der einzelnen Schwingungen 36 der unabhängig rotatorisch bewegten Unwuchten 76 einstellbar. Eine resultierende Schwingungsamplitude weist einen horizontalen Anteil 62 auf, der mehr als 95 % der gesamten Schwindungsamplitude ausmacht. Die Rotationsfrequenzen der beiden rotatorisch bewegten Unwuchten 76 betragen 200 Hz und 300 Hz, wobei die Zuordnung in einer konstruktiven Ausgestaltung frei wählbar ist. In dem Verfahren wird eine Schwingung 58 erzeugt, die einer dynamischen resultierenden Fliehkraft F entspricht, die einen maximalen Betrag von 175 kN aufweist. Weiterhin entspricht die Schwingung 58 einer dynamischen radialen beziehungsweise horizontalen Auslenkung W des Hohlbohrwerkzeugs 47 mit einem maximalen Betrag von 0,2 mm. Während das Hohlbohrwerkzeug 47 in den Baugrund 28 abgeteuft wird, findet eine vertikale Baugrundförderung 110 über eine Bohrwendel 66 statt, die außen an dem Hohlbohrwerkzeug 47 angeordnet ist. Wenn eine vorgegebene Arbeitstiefe im Baugrund 28 erreicht ist, wird ein Beton als Zusatzmaterial 52 durch eine Hohlseele 54 des Hohlbohrwerkzeugs 47 gefüllt und das Hohlbohrwerkzeug 47 dabei zurückgezogen.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hohlbohrwerkzeugs 47. Das Hohlbohrwerkzeug eignet sich insbesondere für das in Figur 1 beschriebene Verfahren. Das Hohlbohrwerkzeug 47 ist über eine äußere Oberfläche mit einer Bohrwendel 66 versehen und weist eine Hohlseele 54 auf. Das Hohlbohrwerkzeug 47 weist zudem zwei voneinander unabhängige pneumatische Turbinen 80 auf, deren Laufräder 82 mit Turbinenschaufeln auf einer gemeinsamen Längsachse 78 gelagert sind, die die Hohlseele 54 bildet. In die Laufräder 82 der Turbinen 80 ist jeweils eine Unwucht 76 integriert. Die Turbinen 80 sind auf eine Nenndrehzahl von 25.000 U/min ausgelegt. Die Unwuchten 76 sind derart ausgelegt und in die Laufräder 82 der Turbinen 80 integriert, dass das Hohlbohrwerkzeug 47 ausgebildet ist, im Betrieb eine Schwingung mit einer maximalen Amplitude von 0,4 mm hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Auslenkung des Hohlbohrwerkzeugs 47 auszuführen, beziehungsweise eine Schwingung mit einer maximalen Amplitude hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Kraft von 150 kN auszuführen.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefenrüttlers 10 mit pneumatischer Turbine 16 und Induktionskupplung 18. Der Tiefenrüttler 10 weist eine rotatorisch bewegbare Unwucht 12 auf. Die Unwucht 12 ist durch eine Strömungsmaschine antreibbar, die als eine zweistufige pneumatisch angetriebene Turbine 16 ausgeführt ist. Zwei Laufräder 84 der Turbine 16 sind auf einer gemeinsamen Welle 86 mit einer Rotationsachse R angeordnet. Ein Ende der Welle 86 ist eine Antriebswelle 20 für die Induktionskupplung 18. Eine Antriebsseite 90 der Induktionskupplung 18, mit anderen Worten eine der pneumatischen Turbine 16 zugewandte Seite der Induktionskupplung 18, ist als passive Seite 94 ausgeführt und eine Abtriebsseite 92, also eine der Unwucht 12 zugewandten Seite, ist als aktive Seite 88 ausgeführt. Die Induktionskupplung 18 ist ausgebildet, ein Nenndrehmoment von 25 Nm zu übertragen, bei einer Nenndrehzahl von 20.000 U/min an der Antriebswelle 20 und 50 Hz an einer Abtriebswelle 22. Eine durch die Induktionskupplung 18 übertragbare mechanische Leistung liegt im Bereich von 60 kW. Die Induktionskupplung 18 verfügt in der aktiven Seite 88 über Permanentmagnete, die ausgebildet sind, ein Induktionsmagnetfeld zu erzeugen. Eine Masse der rotatorisch bewegbaren Unwucht 12 beträgt 20 kg. Die pneumatische Turbine 16 ist auf eine Nenndrehzahl von 20.000 U/min und ein Nenndrehmoment von 25 Nm ausgelegt. Eine durch die pneumatische Turbine 16 bereitstellbare Nennleistung beträgt 60 kW. Eine Druckdifferenz eines für den Betrieb der pneumatischen Turbine 16 verwendbaren Luftvolumenstroms 100 beträgt, von einem Turbineneintritt 104 bis zu einem Turbinenaustritt 102, an einem Nennarbeitspunkt 7 bar.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials. Die zeitliche Abfolge der Verfahrensschritte geht aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein Tiefenrüttler 24 wird dabei unter Aufbringung einer Vertikalkraft 26 in den Baugrund 28 abgeteuft. Der Tiefenrüttler 24 wird während des Abteufens in Schwingung 30 versetzt. Mehrere Schwingungen 36 werden dabei durch zwei kinematisch unabhängige rotatorisch bewegte Unwuchten 38 erzeugt. Die rotatorische Bewegung der Unwuchten 38 wird durch zwei pneumatische Turbinen 42 bewirkt. Die resultierende Schwingung 30 ist durch Überlagerung der einzelnen Schwingungen 36 der unabhängigen Unwuchten 38 einstellbar. Eine resultierende Schwingungsamplitude weist einen horizontalen Anteil 34 auf, der mehr als 95 % der gesamten Schwindungsamplitude ausmacht. In dem Verfahren wird eine resultierende Schwingung 30 erzeugt, die einer dynamischen resultierenden Fliehkraft F der rotierenden Unwuchten 38 mit einem Betrag von 150 kN entspricht. Weiterhin entspricht die resultierende Schwingung 30 einer dynamischen radialen beziehungsweise horizontalen Auslenkung W des Tiefenrüttlers 24. Ein maximaler Betrag der resultierenden radialen beziehungsweise horizontalen Auslenkung W des Tiefenrüttlers 24 beträgt 8 mm.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefenrüttlers 44 mit zwei unabhängigen pneumatischen Turbinen 42 mit integrierten Unwuchten 38. Die Unwuchten 38 sind in jeweils einer zugehörigen pneumatischen Turbine 42 integriert, beziehungsweise sind in jeweils einem Laufrad 118 der zugehörigen Turbine 42 integriert. Die Laufräder 118 sind auf einer gemeinsamen Rotationsachse R gelagert. Massen der rotatorisch bewegbaren Unwuchten 38 betragen 0,25 kg und 0,5 kg, wobei die Zuordnung der Massen zu den Unwuchten 38 in einer konstruktiven Ausgestaltung beliebig wählbar ist. Ein resultierender Massenschwerpunkt S der rotatorisch bewegbaren Unwuchten 38 liegt bezogen auf die Rotationsachse R in einem maximal möglichen radialen Abstand d, der durch einen verfügbaren Bauraum begrenzt ist.

Bezugszeichenliste

10: Tiefenrüttler
12: Unwucht
16: pneumatisch angetriebene Turbine
18: Induktionskupplung
20: Antriebswelle
22: Abtriebswelle
24: Tiefenrüttler
26: Vertikalkraft
28: Baugrund
30: Schwingung
34: horizontaler Anteil
36: Schwingungen
38: Unwuchten
42: pneumatische Turbine
44: Tiefenrüttler
47: Hohlbohrwerkzeug
48: Bohrmoments
50: Vertikalkraft
52: Zusatzmaterial
54: Hohlseele
56: Aktoren
58: Schwingung
62: horizontaler Anteil
66: Bohrwendel
76: Unwucht
78: Längsachse
80: pneumatische Turbine
82: Laufräder
84: Laufräder
86: Welle
88: aktive Seite
90: Antriebsseite
92: Abtriebsseite
94: passive Seite
96: Kupplungsscheiben
100: Luftvolumenstrom
102: Turbinenaustritt
104: Turbineneintritt
110: vertikale Baugrundförderung
118: Laufrad
d: radialer Abstand
F: resultierende Fliehkraft
R: Rotationsachse
S: Massenschwerpunkt
W: Auslenkung

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen, wobei ein Bohrwerkzeug unter Aufbringung eines Bohrmoments (48) und einer Vertikalkraft (50) in einen Baugrund (28) abgeteuft wird, wieder zurückgezogen wird und ein Zusatzmaterial (52) in die entstandene Bohrung eingebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bohrwerkzeug, während dieses in den Baugrund (28) abgeteuft wird und/oder während des Zurückziehens des Bohrwerkzeugs, durch einen oder mehrere Aktoren (56) in seiner Gesamtheit in Schwingung (58) versetzt wird, wobei eine resultierende Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil (62) aufweist.
Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Bohrwerkzeug ein Hohlbohrwerkzeug (47) verwendet wird, das wenigstens eine Hohlseele (54) aufweist und dass das Zusatzmaterial (52) durch die Hohlseele (54) des Hohlbohrwerkzeugs (47) in die Bohrung gefüllt wird, vor Beginn und/oder während und/oder nach dem Zurückziehen des Hohlbohrwerkzeugs (47).
Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Bewehrung in die Hohlseele (54) des Hohlbohrwerkzeugs (47) eingebracht wird, bevor das Zusatzmaterial (52) in die Hohlseele (54) des Hohlbohrwerkzeugs (47) eingefüllt wird.
Bohrwerkzeug zur Herstellung von Bohrungen oder Bohrpfählen in einem Baugrund (28), wobei das Bohrwerkzeug eine Längsachse (78) und wenigstens eine Strömungsmaschine aufweist, wobei in wenigstens einen Rotor der wenigstens einen Strömungsmaschine wenigstens eine Unwucht (76) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor um eine Längsachse (78) des Bohrwerkzeugs insgesamt drehbar in dem Bohrwerkzeug gelagert ist, so dass eine resultierende Schwingung (58) erzeugbar ist, deren Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil (62) aufweist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bohrwerkzeug zumindest abschnittsweise mit einer Bohrwendel (66) und/oder einer Spitze mit Schraubengängen versehen ist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bohrwerkzeug ein Hohlbohrwerkzeug (47), aufweisend wenigstens eine Hohlseele (54), ist.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Strömungsmaschine wenigstens eine pneumatische Turbine (80) ist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Laufrad (82) mit Turbinenschaufeln auf einer Hohlachse gelagert ist, die als Hohlseele (54) ausgeführt ist.