EP3684981A1 - Verfahren zur installation eines pfahls und pfahl - Google Patents

Verfahren zur installation eines pfahls und pfahl

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EP3684981A1
EP3684981A1 EP18734451.0A EP18734451A EP3684981A1 EP 3684981 A1 EP3684981 A1 EP 3684981A1 EP 18734451 A EP18734451 A EP 18734451A EP 3684981 A1 EP3684981 A1 EP 3684981A1
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EP
European Patent Office
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pile
collar
soil material
diameter
lateral surface
Prior art date
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Pending
Application number
EP18734451.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Herwig
Benjamin Matlock
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rwe Offshore Wind GmbH
Original Assignee
Innogy SE
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Filing date
Publication date
Application filed by Innogy SE filed Critical Innogy SE
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Pending legal-status Critical Current

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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
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    • E02D7/24—Placing by using fluid jets
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D27/00—Foundations as substructures
    • E02D27/32—Foundations for special purposes
    • E02D27/42—Foundations for poles, masts or chimneys
    • E02D27/425—Foundations for poles, masts or chimneys specially adapted for wind motors masts
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02D27/00—Foundations as substructures
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
    • E02D5/22—Piles
    • E02D5/24—Prefabricated piles
    • E02D5/32—Prefabricated piles with arrangements for setting or assisting in setting in position by fluid jets
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    • E02D7/26—Placing by using several means simultaneously
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B17/00—Artificial islands mounted on piles or like supports, e.g. platforms on raisable legs or offshore constructions; Construction methods therefor
    • E02B2017/0056—Platforms with supporting legs
    • E02B2017/0065—Monopile structures
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B17/00—Artificial islands mounted on piles or like supports, e.g. platforms on raisable legs or offshore constructions; Construction methods therefor
    • E02B2017/0091—Offshore structures for wind turbines
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/18—Placing by vibrating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/95—Mounting on supporting structures or systems offshore

Definitions

  • the present invention relates to a process for the instal- lation of a pile, in particular a monopile for a wind ⁇ turbine, in a bottom and a pile, in particular a monopile, for a wind turbine.
  • the installation of piles in a subsoil or soil is usually carried out with beating or vibrating application methods. If the vibration technology is used for the installation of piles at a designated final depth, it may occur in non-cohesive dense or very dense soils for local loosening and / or liquefaction of soil in areas adjacent to the pile. This loosening and / or liquefaction leads to a reduction in the lateral pile load capacities.
  • the invention relates to a method for installing a pile, in particular a monopile for a wind power plant in a soil with the method ⁇ steps of:
  • the lateral pile load capacity can be increased.
  • the method can be used, for example, to install a
  • Pile are for offshore or onshore wind turbine ver ⁇ spent.
  • an engagement of the pile can take place in a non-cohesive soil.
  • the non-cohesive soil consists essentially of sand and / or gravel, in particular sand with a grain size of, for example, 0.2 to 1 mm in diameter.
  • the compaction of the soil material can be effected by mechanical sealing , in particular displacement of soil material. Alternatively or additionally, the compaction can be achieved as a result of a local change in the particle size distribution of the soil material.
  • a further embodiment of the method provides that the compaction of the soil material surrounding the outer surface of the pile comprises the following method step: mechanical compaction of the soil material by engagement of the lateral surface of the pile at least partially ⁇ surrounding collar or by engaging a local increase in diameter, such as a pile thickening, pile widening or the like, in the ground.
  • the collar has a larger diameter than the pile and can cause an axial displacement of the soil material ent ⁇ long a direction of engagement or along a longitudinal axis of the pile.
  • the collar can abut against an outer circumferential surface of the pile in a gap-free or flush manner.
  • a lo ⁇ cal compression zone adjoining the collar can be formed by compacted soil material.
  • An axial length of the compression zone may be more than 1 m, in particular more than 5 m.
  • an exciter frequency of the vibration device is reduced during the engagement of the collar in the ground.
  • a feed By reducing the excitation frequency, a feed can be reduced or adjusted in the region of a bottom engaging end face of the pile, but there is an increased compaction of the soil material in the region of the collar.
  • the reduced excitation frequency may be maintained for a predetermined period of time until the required degree of compaction is achieved over a required axial length of a compression zone.
  • compaction can take place by a local change in the particle size distribution of the soil material.
  • Change in the particle size distribution of the soil material by injection of a fluid added with a filler, in particular in the region of an end face of the pile driven into the soil.
  • grain refining can be achieved by injecting the fluid filled with filler to densify the soil material.
  • the injected filler has a lower fine to medium grain size than the original ⁇ Lich existing soil material.
  • the filler may have particles having a diameter of 0.25 mm or less. It is understood that the diameter of the particles is selected depending on the soil material to be compacted.
  • the filler may comprise sand, cement or bentonite or consist of sand, cement or bentonite.
  • the particles may have a diameter of 0.125 mm or less.
  • the fluid may be, for example, water.
  • the fluid is at least partially pumped out again and / or seeped into the ground.
  • the method is characterized in that the injection takes place via at least one tube which is fastened to a lateral surface of the pile.
  • the tube can be welded to a lateral surface of the pile.
  • the injection takes place via at least four tubes, which are fastened to an inner and / or egg ⁇ ner outer lateral surface of the pile. This allows a compact integration of the tubes into the pile.
  • Loosening and / or liquefying the soil material can be done by the vibration of the pile. By loosening and / or liquefaction and subsequent compacting of the ground material a lateral load bearing capacity of the pile ge ⁇ aims can be adjusted.
  • the inventive method for installa ⁇ tion of pylons can be used for a power grid.
  • the invention relates to a pile, in particular monopile for a wind turbine, gekennzeich ⁇ net by a collar or a local fürmesservergre ⁇ tion, such as a pile thickening, a pile widening or the like, for the mechanical compaction of soil material, the collar or the local Diameter enlargement at least partially surrounds a lateral surface of the pile, and / or at least one pipe fastened to a lateral surface of the pile, which is set up to inject a fluid mixed with a filler into a soil.
  • a pile in particular monopile for a wind turbine, gekennzeich ⁇ net by a collar or a local fürmesservergre ⁇ tion, such as a pile thickening, a pile widening or the like, for the mechanical compaction of soil material
  • the collar or the local Diameter enlargement at least partially surrounds a lateral surface of the pile, and / or at least one pipe fastened to a lateral surface of the pile, which is set up to
  • the collar and / or the tubes can be used for compacting adjacent soil material.
  • the pile can in particular be used in a method described above
  • the stake may in particular be a monopile for an offshore or onshore wind turbine.
  • the collar is thus part of the support structure formed by the pile. It can be provided that the collar is wedge-shaped.
  • the collar or the local diameter increase for example, viewed along a direction of engagement of the pile may be tapered or tapered viewed against a direction of engagement of the pile considered.
  • the collar and / or the tube are welded to a lateral surface of the pile.
  • the collar has a larger diameter than the pile and can be an axial compression of the soil material along one Engagement direction or along a longitudinal axis of the pile effect.
  • the collar can abut against an outer circumferential surface of the pile in a gap-free or flush manner.
  • a local increase in diameter for example, a local thickening of the wall of the pile to provide, such as a circular circumferential bulge or the like, which may be part of an outer surface of the pile.
  • the collar is not provided separately and welded, but is an integral part and integral with the wall of the pile Herge ⁇ been.
  • a distance from a bottom in one side of the pile to engulfing end to the collar or the local diam ⁇ server josrung is 15 m or more.
  • the collar is therefore viewed along a direction of engagement of the end face trailing on the outer lateral surface provided.
  • the collar or local diameter increase may have an axial length of 0.1 m to 5 m.
  • the collar or the local diameter increase may have an axial length of more than 5 m. So a reliable compaction can be achieved.
  • the pile may be a substantially circular hollow profile, in particular a steel pipe.
  • the pile may be, for example, a monopile known per se for a wind energy plant, which has been supplemented by the additional elements for compaction.
  • the post may also be a ground anchor for a jacket structure of a wind turbine or other mast or support structure.
  • the post may in particular be a mast for carrying a power supply line of a power grid.
  • Figure 1 shows a pile according to the invention in a plan view and a longitudinal section.
  • Fig. 2 shows the pile of Fig. 1 in a plan view and in a
  • Fig. 3 shows another pile according to the invention in one
  • Fig. 5 shows another pile according to the invention in one
  • Fig. 6 shows another pile according to the invention in one
  • Fig. 1 shows a pile 2 according to the invention in a plan view and in a longitudinal section.
  • the pile 2 is a monopile for a wind turbine. To encourage improvements ⁇ tion of clarity of a base 4 associated part of the monopile is shown.
  • the pile 2 has a collar 6 for mechanically compacting soil material 8 of the bottom 4.
  • the collar 6 includes one a wall 10 of the pile 2 formed circumferential surface 12 on the input side completely. According to alternative execution ⁇ examples can be provided that the collar has a plurality of spaced segments.
  • the collar 6 In the fully assembled state of the pile 2 shown in FIG. 1, the collar 6 is partially seated in the floor 4 in which the pile 2 is installed.
  • the collar 6 is welded in the present case in the region of the outer circumferential surface 12 with the wall 10 of the pile 2.
  • a distance a from an end face 14 of the pile to be lowered in the bottom 4 to the collar 6 is more than 15 m.
  • the collar 6 in the present case has an axial length b of 3 m.
  • the pile 2 is present in a circular Wesent ⁇ union hollow profile made of steel. The distance a and the length b will be herein measured parallel to or along a ⁇ A reverse direction R, which in turn is parallel to or ent ⁇ long a longitudinal axis L of the pile. 2
  • the pile 2 is first engaged or vibrated into the floor 4 by means of a vibration device 16. Once the collar 6 when Einrü ⁇ CKEN of the pole 2 along the engagement direction R is in contact with the ground 4, the ground material is in a on the collar 6 and the outer surface 12 adjacent compressed compression region eighteenth In a loosening region 20 adjoining the compression region 18, the soil material 8 remains in the dissolved state resulting from the vibrations of the pile 2.
  • an excitation frequency of the vibrator 16 can be reduced. In this way, the enlarged compression area 18 shown in FIG. 2 results.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the invention ei ⁇ nes pile 22.
  • the pile 22 is turn around a monopile 22 for a wind turbine, which in a
  • the pile 22 has four tubes 26 secured to an inner surface 24 of the pile 22.
  • the tubes 26 are adapted to inject a filler-added fluid 28 into a floor 30.
  • the tubes 26 are welded to the inner Mantelflä ⁇ che 24.
  • the injection of the filler-added fluid 28 into the bottom 30 takes place in particular in the region of an end face 38 of the pile 22 driven into the ground.
  • the filler entrained with the fluid 28 has particles having a diameter of less than 0.25 mm.
  • Fig. 4 is a grain distribution before and after the introduction of the offset with filler fluid 28 exemplified Darge ⁇ represents.
  • the solid line “new” describes the state after introduction of the filled fluid 28, while the dashed line “alt” describes the grain size distribution prior to introduction of the filled fluid. It can be seen that a shift of the distribution has taken place in the direction of a graded grain.
  • Figures 5 and 6 show further variants of piles 2, which differ in comparison to the figures 1 and 2 by a wedge-shaped shape of the collar 6.

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Abstract

Verfahren zur Installation eines Pfahls, insbesondere eines Monopile für eine Windkraftanlage, in einem Boden, mit den Verfahrensschritten: - Einrücken des Pfahls (2) in den Boden (4) mithilfe einer Vibrationseinrichtung (16); - Verdichten von Bodenmaterial (8), das eine Mantelfläche (12) des Pfahls (2) umgibt.

Description

Verfahren zur Installation eines Pfahls
und Pfahl
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Installa- tion eines Pfahls, insbesondere eines Monopile für eine Wind¬ kraftanlage, in einem Boden sowie einen Pfahl, insbesondere einen Monopile, für eine Windenergieanlage.
Die Installation von Pfählen in einem Untergrund bzw. Boden erfolgt in der Regel mit schlagenden oder vibrierenden Einbringmethoden. Kommt die Vibrationstechnik bei der Installation von Pfählen auf eine vorgesehene Endtiefe zum Einsatz, so kann es bei nicht bindigen dicht oder sehr dicht gelagerten Böden zur lokalen Auflockerung und/oder Verflüssigung von Bo- den in an den Pfahl angrenzenden Bereichen kommen. Diese Auflockerung und/oder Verflüssigung führt zu einer Abminderung der lateralen Pfahltragfähigkeiten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, ein Verfahren zur Installation eines Pfahls und einen Pfahl anzugeben, welche die voranstehend be¬ schriebenen Nachteile nicht oder zumindest in geringerem Maße aufweisen, und insbesondere eine gesteigerte laterale Pfahl¬ tragfähigkeit in nicht bindigen Böden ermöglichen.
Die voranstehend beschriebene technische Problemstellung wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Pfahl nach Anspruch 8. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung .
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Installation eines Pfahls, insbesondere eines Monopile für eine Windkraftanlage, in einem Boden, mit den Verfahrens¬ schritten :
Einrücken des Pfahls in den Boden mithilfe einer Vibrati¬ onseinrichtung;
Verdichten von Bodenmaterial, das eine Mantelfläche des Pfahls umgibt.
Durch das Verdichten des Bodenmaterials, das die Mantelfläche umgibt, kann die laterale Pfahltragfähigkeit erhöht werden.
Das Verfahren kann beispielsweise zur Installation eines
Pfahls für eine Offshore- oder Onshore-Windenergieanlage ver¬ wendet werden.
Insbesondere kann ein Einrücken des Pfahls in einen nicht bindigen Boden erfolgen. Der nicht bindige Boden besteht im Wesentlichen aus Sand und/oder Kies, insbesondere Sand mit einer Korngröße von zum Beispiel 0,2 bis 1 mm im Durchmesser.
Das Verdichten des Bodenmaterials kann durch mechanisches Ver¬ dichten, insbesondere Verdrängen von Bodenmaterial, erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann das Verdichten infolge einer lokalen Veränderung der Korngrößenverteilung des Bodenmaterials erreicht werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Verdichten des Bodenmaterials, das die Mantelfläche des Pfahls umgibt, den folgenden Verfahrensschritt aufweist: mechanisches Verdichten des Bodenmaterials durch Einrücken eines die Mantelfläche des Pfahls zumindest abschnitts¬ weise umgebenden Kragens oder durch Einrücken einer lokalen Durchmesservergrößerung, wie einer Pfahlverdickung, einer Pfahlaufweitung oder dergleichen, in den Boden.
Der Kragen hat demnach einen größeren Durchmesser als der Pfahl und kann ein axiales Verdrängen des Bodenmaterials ent¬ lang einer Einrückrichtung bzw. entlang einer Längsachse des Pfahls bewirken.
Der Kragen kann insbesondere spaltfrei bzw. bündig an einer äußeren Mantelfläche des Pfahls anliegen. Mithilfe des Kragens kann eine an den Kragen angrenzende lo¬ kale Verdichtungszone von verdichtetem Bodenmaterial gebildet werden .
Eine axiale Länge der Verdichtungszone kann mehr als 1 m be- tragen, insbesondere mehr als 5 m betragen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass während des Einrückens des Kragens in den Boden eine Erregerfrequenz der Vibrationseinrichtung verringert wird.
Durch das Verringern der Erregerfrequenz kann ein Vorschub im Bereich einer in den Boden einrückenden Stirnseite des Pfahls vermindert oder eingestellt werden, wobei es jedoch zu einem verstärkten Verdichten des Bodenmaterials im Bereich des Kragens kommt. Nach dem Einrücken des Pfahls auf die vorgesehene Montagetiefe kann die verringerte Erregerfrequenz für eine vorgegebene Zeitspanne aufrechterhalten werden, bis der geforderte Verdichtungsgrad über eine geforderte axiale Länge einer Verdichtungszone erreicht ist. Wie eingangs bereits erwähnt, kann alternativ oder ergänzend zu einer mechanischen Verdichtung eine Verdichtung durch eine lokale Änderung der Korngrößenverteilung des Bodenmaterials erfolgen .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgese¬ hen, dass das Verdichten von Bodenmaterial, das die Mantelflä¬ che des Pfahls umgibt, den folgenden Verfahrensschritt
aufweist :
- Änderung der Korngrößenverteilung des Bodenmaterials durch Injektion eines mit einem Füllstoff versetzten Fluids, insbesondere im Bereich einer in den Boden getriebenen Stirnseite des Pfahls. Durch die Injektion des mit Füllstoff versetzten Fluids kann z.B. eine Kornfeinung erreicht werden, um das Bodenmaterial zu verdichten. Insbesondere weist der injizierte Füllstoff eine geringere feine bis mittlere Korngröße auf als das ursprüng¬ lich vorhandene Bodenmaterial.
Der Füllstoff kann Partikel aufweisen, die einen Durchmesser von 0,25 mm oder weniger haben. Es versteht sich, dass der Durchmesser der Partikel in Abhängigkeit des zu verdichtenden Bodenmaterials ausgewählt wird. Alternativ oder ergänzend kann der Füllstoff Sand, Zement oder Bentonit aufweisen oder aus Sand, Zement oder Bentonit bestehen.
Die Partikel können einen Durchmesser von 0,125 mm oder weniger aufweisen.
Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um Wasser handeln.
Es kann vorgesehen sein, dass das Fluid zumindest teilweise wieder abgepumpt wird und/oder im Boden versickert. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Injektion über wenigstens ein Rohr erfolgt, das an einer Mantelfläche des Pfahls befestigt ist. Das Rohr kann mit einer Mantelfläche des Pfahls verschweißt sein.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Injektion über wenigstens vier Rohre erfolgt, die an einer inneren und/oder ei¬ ner äußeren Mantelfläche des Pfahls befestigt sind. So kann eine kompakte Integration der Rohre in den Pfahl erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgese¬ hen, dass vor dem Verdichten des Bodenmaterials, das die Man¬ telfläche des Pfahls umgibt, der folgende Verfahrensschritt durchgeführt wird:
Auflockern und/oder Verflüssigen des Bodenmaterials, das die Mantelfläche des Pfahls umgibt.
Ein Auflockern und/oder Verflüssigen des Bodenmaterials kann durch die Vibration des Pfahls erfolgen. Durch das Auflockern und/oder Verflüssigen und das anschließende Verdichten des Bodenmaterials kann eine laterale Tragfähigkeit des Pfahls ge¬ zielt eingestellt werden. Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Installa¬ tion von Freileitungsmasten für ein Stromnetz verwendet werden .
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Pfahl, insbesondere Monopile für eine Windenergieanlage, gekennzeich¬ net durch einen Kragen oder eine lokale Durchmesservergröße¬ rung, wie eine Pfahlverdickung, eine Pfahlaufweitung oder dergleichen, zum mechanischen Verdichten von Bodenmaterial, wobei der Kragen oder die lokale Durchmesservergrößerung eine Mantelfläche des Pfahls zumindest abschnittsweise umgibt, und/oder wenigstens ein an einer Mantelfläche des Pfahls be¬ festigtes Rohr, das zur Injektion eines mit einem Füllstoff versetzten Fluids in einen Boden eingerichtet ist. Soweit der Pfahl mittels einer Vibrationseinrichtung auf die vorgesehene Endtiefe oder eine definierte Tiefe vor Erreichen der Endtiefe in einem Boden eingerückt wird, können der Kragen und/oder die Rohre zum Verdichten von angrenzendem Bodenmaterial eingesetzt werden. Der Pfahl kann insbesondere zur Ver- wendung in einem voranstehend beschriebenen Verfahren
eingerichtet sein.
Es können vier oder mehr Rohre zur Injektion des mit Füllstoff versetzten Fluids vorgesehen sein.
Bei dem Pfahl kann es sich insbesondere um einen Monopile für eine Offshore- oder Onshore-Windkraftanlage handeln.
Nach einer Ausgestaltung des Pfahls ist vorgesehen, dass der Kragen oder die lokale Durchmesservergrößerung im fertig montierten Zustand des Pfahls zumindest abschnittsweise in einem Boden sitzt, in dem der Pfahl installiert ist. Der Kragen ist damit Teil der durch den Pfahl gebildeten Tragstruktur. Es kann vorgesehen sein, dass der Kragen keilförmig ist. So kann der Kragen oder die lokale Durchmesservergrößerung beispielsweise entlang einer Einrückrichtung des Pfahls betrachtet verjüngt sein oder entgegen einer Einrückrichtung des Pfahls betrachtet verjüngt sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der Kragen und/oder das Rohr mit einer Mantelfläche des Pfahls verschweißt sind.
Der Kragen hat einen größeren Durchmesser als der Pfahl und kann ein axiales Verpressen des Bodenmaterials entlang einer Einrückrichtung bzw. entlang einer Längsachse des Pfahls bewirken .
Der Kragen kann insbesondere spaltfrei bzw. bündig an einer äußeren Mantelfläche des Pfahls anliegen.
Alternativ kann vorgesehen sein, statt einem Kragen eine lokale Durchmesservergrößerung, z.B. eine lokale Verdickung der Wandung des Pfahls, vorzusehen, wie eine kreisrund umlaufende Auswölbung oder dergleichen, die Teil einer äußeren Mantelfläche des Pfahls sein kann. In diesem Fall wird der Kragen nicht separat bereitgestellt und verschweißt, sondern ist integraler Bestandteil und einstückig mit der Wandung des Pfahls herge¬ stellt worden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Pfahls ist vorgesehen, dass ein Abstand von einer in einem Boden zu versenkenden Stirnseite des Pfahls zu dem Kragen oder der lokalen Durchmes¬ servergrößerung 15 m oder mehr beträgt. Der Kragen ist demnach entlang einer Einrückrichtung betrachtet der Stirnseite nacheilend an der äußeren Mantelfläche vorgesehen.
Der Kragen oder die lokale Durchmesservergrößerung kann eine axiale Länge von 0,1 m bis 5 m aufweisen. Der Kragen oder die lokale Durchmesservergrößerung kann eine axiale Länge von mehr als 5 m aufweisen. So kann eine zuverlässige Verdichtung erreicht werden.
Der Pfahl kann ein im Wesentlichen kreisrundes Hohlprofil sein, insbesondere ein Stahlrohr sein.
Bei dem Pfahl kann es sich demnach z.B. um einen an sich bekannten Monopile für eine Windenergieanlage handeln, der um die zusätzlichen Elemente zur Verdichtung ergänzt worden ist. Alternativ kann es sich bei dem Pfahl auch um einen Bodenanker für eine Jacket-Struktur einer Windkraftanlage oder einer anderen Mast- oder Tragstruktur handeln. Bei dem Pfahl kann es sich insbesondere um einen Mast zum Tragen einer Energieversorgungsleitung eines Stromnetzes handeln.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbei¬ spiele darstellenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Pfahl in einer Draufsicht und einem Längsschnitt;
Fig. 2 den Pfahl aus Fig. 1 in einer Draufsicht und in einem
Längsschnitt ;
Fig. 3 einen weiteren erfindungsgemäßen Pfahl in einer
Draufsicht und einem Längsschnitt;
Fig. 4 ein Diagramm zur Änderung der Korngrößenverteilung;
Fig. 5 einen weiteren erfindungsgemäßen Pfahl in einer
Draufsicht und einem Längsschnitt;
Fig. 6 einen weiteren erfindungsgemäßen Pfahl in einer
Draufsicht und einem Längsschnitt.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Pfahl 2 in einer Draufsicht und in einem Längsschnitt. Bei dem Pfahl 2 handelt es sich um einen Monopile für eine Windkraftanlage. Zur Verbesse¬ rung der Anschaulichkeit ist lediglich der einem Boden 4 zugeordnete Teil des Monopile dargestellt.
Der Pfahl 2 hat einen Kragen 6 zum mechanischen Verdichten von Bodenmaterial 8 des Bodens 4. Der Kragen 6 schließt eine an einer Wandung 10 des Pfahls 2 gebildete Mantelfläche 12 um- fangsseitig vollständig ein. Gemäß alternativer Ausführungs¬ beispiele kann vorgesehen sein, dass der Kragen eine Mehrzahl zueinander beabstandeter Segmente aufweist.
In dem in Fig. 1 dargestellten, fertig montierten Zustand des Pfahls 2 sitzt der Kragen 6 teilweise in dem Boden 4, in dem der Pfahl 2 installiert ist. Der Kragen 6 ist vorliegend im Bereich der äußeren Mantelfläche 12 mit der Wandung 10 des Pfahls 2 verschweißt.
In dem gezeigten Beispiel beträgt ein Abstand a von einer in dem Boden 4 zu versenkenden Stirnseite 14 des Pfahls zu dem Kragen 6 mehr als 15 m. Der Kragen 6 hat vorliegend eine axi- ale Länge b von 3 m. Der Pfahl 2 ist vorliegend ein im Wesent¬ lichen kreisrundes Hohlprofil aus Stahl. Der Abstand a und die Länge b werden vorliegend parallel zu bzw. entlang einer Ein¬ rückrichtung R gemessen, die ihrerseits parallel zu bzw. ent¬ lang einer Längsachse L des Pfahls 2 verläuft.
Zur Installation des Pfahls 2 in dem Boden 4 wird der Pfahl 2 zunächst mithilfe einer Vibrationseinrichtung 16 in den Boden 4 eingerückt bzw. einvibriert. Sobald der Kragen 6 beim Einrü¬ cken des Pfahls 2 entlang der Einrückrichtung R in Kontakt mit dem Boden 4 gelangt, wird Bodenmaterial in einem an den Kragen 6 und die Mantelfläche 12 angrenzenden Verdichtungsbereich 18 verdichtet. In einem an den Verdichtungsbereich 18 angrenzenden Auflockerungsbereich 20 verbleibt das Bodenmaterial 8 in dem durch die Vibrationen des Pfahls 2 entstandenen aufgelo- ckerten.
Vor dem Verdichten des Bodenmaterials 8, das die Mantelfläche 12 des Pfahls 2 umgibt, erfolgt daher ein Auflockern und/oder Verflüssigen des Bodenmaterials 8 durch die Vibrationen des Pfahls 2, die mithilfe der Vibrationseinrichtung 16 erzeugt werden .
Um das Verdichten des Bodenmaterials 8 in dem Verdichtungsbe- reich 18 zu unterstützen und die axiale Länge des Verdichtungsbereichs 18 zu vergrößern, kann während des Einrückens des Kragens 6 in den Boden 4 eine Erregerfrequenz der Vibrationseinrichtung 16 verringert werden. Auf diese Weise ergibt sich der in Fig. 2 dargestellte, vergrößerte Verdichtungsbe- reich 18.
Fig. 3 zeigt eine alternative erfindungsgemäße Ausführung ei¬ nes Pfahls 22. Bei dem Pfahl 22 handelt es sich wiederum um einen Monopile 22 für eine Windkraftanlage, der in einer
Draufsicht und in einem Längsschnitt dargestellt ist.
Der Pfahl 22 hat vier an einer inneren Mantelfläche 24 des Pfahls 22 befestigte Rohre 26. Die Rohre 26 sind zur Injektion eines mit einem Füllstoff versetzten Fluids 28 in einen Boden 30 eingerichtet. Die Rohre 26 sind mit der inneren Mantelflä¬ che 24 verschweißt. Die Injektion des mit Füllstoff versetzten Fluids 28 in den Boden 30 findet insbesondere im Bereich einer in den Boden getriebenen Stirnseite 38 des Pfahls 22 statt. Der mit dem Fluid 28 mitgeführte Füllstoff weist Partikel auf, die einen Durchmesser von weniger als 0,25 mm aufweisen. Durch das Einleiten des mit Füllstoff versetzten Fluids 28 wird eine Korngrößenverteilung eines Bodenmaterials 32 des Bodens 30 in einem Verdichtungsbereich 34 geändert, wobei insgesamt ein weiter gestuftes Material mit besserer Verdichtungseigenschaft erzeugt wird. Auf diese Weise wird in dem durch die gestri¬ chelte Linie angedeuteten, an eine äußere Mantelfläche 36 an¬ grenzenden Verdichtungsbereich 34 eine Verdichtung des
Bodenmaterials 32 erreicht. In Fig. 4 ist eine Kornverteilung vor und nach dem Einleiten des mit Füllstoff versetzten Fluids 28 beispielshaft darge¬ stellt. Die durchgezogene Linie „neu" beschreibt den Zustand nach dem Einleiten des mit Füllstoff versetzten Fluids 28, während die gestrichelte Linie „alt" die Korngrößenverteilung vor dem Einleiten des mit Füllstoff versetzten Fluids beschreibt. Es ist zu erkennen, dass eine Verschiebung der Verteilung in Richtung einer weitgestuften Körnung stattgefunden hat .
Die Figuren 5 und 6 zeigen weitere Varianten von Pfählen 2, die sich im Vergleich zu den Figuren 1 und 2 durch eine keilförmige Form des Kragens 6 unterscheiden.
Es versteht sich, dass die in Fig. 3 dargestellte Verrohrung des Pfahls 22 mit einem Kragen 6 der Beispiele aus Fig. 1, Fig. 2, Fig. 5 und Fig. 6 kombinierbar ist, so dass sich die Vorteile mechanischer Verdichtung zusammen mit der weitgestuf ten Körnung, insbesondere der Einbringung eines Zusatzstoffes wie Sand, Bentonit oder Zement verbinden lassen, um eine late rale Tragfähigkeit eines Pfahls zu erhöhen.
Bezugszeichen
2 Pfahl
4 Boden
6 Kragen
8 Bodenmaterial
10 Wandung
12 Mantelfläche
14 Stirnseite
16 Vibrationseinrichtung
18 Verdichtungsbereich
20 Auf1ockerungsbereich
22 Pfahl
24 innere Mantelfläche
26 Rohr
28 Fluid (mit Füllstoff
30 Boden
32 Bodenmaterial
34 Verdichtungsbereich a Abstand
b Länge
L Längsachse
R Einrückrichtung

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Installation eines Pfahls, insbesondere ei¬ nes Monopile für eine Windkraftanlage, in einem Boden, mit den Verfahrensschritten:
Einrücken des Pfahls (2, 22) in den Boden (4, 30) mithilfe einer Vibrationseinrichtung (16);
Verdichten von Bodenmaterial (8, 32), das eine Mantelflä¬ che (12, 36) des Pfahls (2, 22) umgibt.
Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Verdichten des Bodenmaterials (8), das die Man¬ telfläche (12) des Pfahls (2) umgibt, den folgenden Ver¬ fahrensschritt aufweist:
mechanisches Verdichten des Bodenmaterials (8) durch Ein¬ rücken eines die Mantelfläche (12) des Pfahls (2) zumin¬ dest abschnittsweise umgebenden Kragens (6) oder durch Einrücken einer lokalen Durchmesservergrößerung, wie einer Pfahlverdickung, einer Pfahlaufweitung oder dergleichen, in den Boden.
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
während dem Einrücken des Kragens (6) oder der lokalen Durchmesservergrößerung in den Boden eine Erregerfrequenz der Vibrationseinrichtung (16) verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das Verdichten von Bodenmaterial (32), das die Man¬ telfläche (36) des Pfahls (22) umgibt, den folgenden Ver¬ fahrensschritt aufweist:
Änderung der Korngrößenverteilung des Bodenmaterials (32) durch Injektion eines mit einem Füllstoff versetzten Fluids (28), insbesondere im Bereich einer in den Boden getriebenen Stirnseite (38) des Pfahls (22) . Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Füllstoff Partikel aufweist, die einen Durchmesser von 0,25 mm oder weniger aufweisen;
und/oder
der Füllstoff Sand, Zement oder Bentonit aufweist oder aus Sand, Zement oder Bentonit besteht.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Injektion über wenigstens ein Rohr (26) erfolgt, das an einer Mantelfläche (24) des Pfahls (22) befestigt ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei vor dem Verdichten des Bodenmaterials (8, 32), das die Mantelfläche (12, 36) des Pfahls (2, 22) umgibt, der folgende Verfahrensschritt durchgeführt wird:
Auflockern und/oder Verflüssigen des Bodenmaterials (8, 32), das die Mantelfläche (12, 36) des Pfahls (2, 22) umgibt .
Pfahl, insbesondere Monopile, für eine Windenergieanlage, gekennzeichnet durch
einen Kragen (6) oder eine lokale Durchmesservergrößerung, wie eine Pfahlverdickung, eine Pfahlaufweitung oder dergleichen, zum mechanischen Verdichten von Bodenmaterial (8), wobei der Kragen (6) oder die lokale Durchmesservergrößerung eine Mantelfläche (12) des Pfahls (2) zumindest abschnittsweise umgibt
und/oder
wenigstens ein an einer Mantelfläche (24) des Pfahls (22) befestigtes Rohr (24), das zur Injektion eines mit einem Füllstoff versetzten Fluids (28) in einen Boden (30) eingerichtet ist.
9. Pfahl nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kragen (6) oder die lokale Durchmesservergröße¬ rung im fertig montierten Zustand des Pfahls (2) zumindest abschnittsweise in einem Boden (4) sitzt, in dem der Pfahl (2) installiert ist,
und/oder
dass der Kragen (6) keilförmig ist
und/oder
dass der Kragen (6) und/oder das Rohr (26) mit einer Mantelfläche (12, 24) des Pfahls (2, 22) verschweißt sind.
10. Pfahl nach Anspruch 8 oder Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Abstand (a) von einer in dem Boden zu versenkenden Stirnseite des Pfahls zu dem Kragen (7) oder der loka¬ len Durchmesservergrößerung 15 m oder mehr beträgt
und/oder
dass der Kragen oder die lokale Durchmesservergrößerung eine axiale Länge (b) von 1 bis 5 m aufweist
und/oder
dass der Pfahl (2, 22) ein im Wesentliches kreisrundes Hohlprofil (2, 22) ist, insbesondere ein Stahlrohr ist.
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