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Rüttelmaschine zum Versenken von Pfählen, Stäben usw.
Zur Errichtung vieler Bauten ist das Versenken von Stäben (Pfählen) mit prismen- oder rohrförmigem Querschnitt, von Hohlzylindern (Senkbrunnen) und Platten (beim Bau von Stützmauern), errorderlich.
Pfähle werden üblicherweise mit Hilfe von Dampf- oder Presslufthämmern oder mit Hilfe von Fallhämmern, bei denen der Bär mittels Seilwinde auf die Fallhöhe hochgezogen wird (dynamisches Verfahren) gerammt. Stützwände werden in der Regel aus einigen Fertigteilen errichtet, u. zw. durch das Rammen von Spundpfählen im dynamischen Verfahren - mittels Rammhämmer. Hohlzylinder (Senkbrunnen), die viel schwerer sind als Rammpfähle, werden abgeteuft kraft ihres Eigengewichtes unter Aushub des Erdreiches aus ihrem Hohlraum (statisches Verfahren) ; in solchen Fällen werden die Senkbrunnen mitdicken Wänden ausgeführt, damit ihr Eigengewicht grösser ist als die Reibungskraft zwischen Erdboden und Aussenfläche des Senkbrunnens.
Falls der Erdbodenabbau unter komplizierten Grundwasserverhältnissen verläuft, wird das Senkkastenverfahren unter Benutzung von Druckluft angewandt.
Das Rüttelverfahren zum Versenken von Pfählen und dünnwandigen Hohlzylindern (Senkbrunnen) ist ein moderneres und fortschrittlicheres Verfahren als die oben angeführten.
Im wesentlichen besteht dieses Verfahren darin, dass eine Rüttelmaschine mit dem zum Versenken bestimmten Bauelement starr verbunden wird. Bei der Ingangsetzung der Rüttelmaschine entstehen Schwingungen des Systems"versenkbare Element-Rüttelmaschine". Unter Einwirkung der Schwingungen und des Eigengewichtes des Systems erfolgt die Versenkung des Bauelementes in den Boden. Die Rüttelmaschine kann derartig gebaut sein, dass verschiedene Schwingungsarten des versenkbaren Elementes entstehen, z. B.
Seitenschwingungen, senkrechte Schwingungen, Verdrehschwingungen u. a. Die Schwingungsart des Systems hängt von Form und Art der im System bewegten unausgeglichenen Massen ab.
Bekannte senkrecht wirkende RüttelmaschiÌ1en sind so gebaut, dass sie eine Frequenz der erzwungenen Schwingungen des versenkbaren Elementes hervorrufen, die zwei bis vier mal grösser ist als die Eigenschwingungsfrequenz des Elementes als starrer Körper im Bodenbereich. Deshalb werden diese Maschinen als Hochfrequenz-Rüttelmaschinen bezeichnet..
Aus den Betriebserfahrungen ist bekannt, dass die Hochfre quenz-Rüttelmaschinen nur das Versenken von leichten Pfählen meistens Spundpfählen, in wassergesättigte Sandböden gewährleisten. Infolge der grossen Beschleunigungen der Systemschwingungen, die den Wert von 9 bis 13 g erreichen, sind diese Maschinen nicht genügend haltbar und weisen in Betrieb einen grossen Energieverbrauch auf. Die unzureichende Versenkleistung dieser Maschinen erklärt sich dadurch, dass die Amplitude der erzwungenen Schwingungen des Systems zur Bildung von bleibenden Verformungen im Bodenbereich unter der Stirnfläche (Pfahlspitze) des versenkbaren Elementes nicht ausreicht.
Bei weiteren bekannten Vorschlägen werden dem System kombinierte Verdreh- und Vertikalschwingun- gen erteilt. Zur Erhöhung der Stabilität kann hiebei zusätzlich ein Gyroskop vorgesehen sein. Die Verwendung solcher Einrichtung ist aber praktisch nur für zylindrische Elemente zu empfehlen, weil nur solche eine stete Verdrehung des Elementes zulassen. In der Praxis liegen aber meist flache oder unsymmetrische Profile vor, für deren Versenkung obige Einrichtung ungeeignet ist.
Es sind auch Vorrichtungen bekanntgeworden, bei denen die Rüttelmaschine mit dem Pfahl nicht verbunden ist. In einem solchen Falle erteilt die Vorrichtung dem Pfahl nur schlagartige Impulse, weshalb eine solche Einrichtung als Vibrationshammer zu bezeichnen ist.
Die Erfindung versucht nun eine wirkungsvolle Rüttelmaschine zu schaffen, die für alle Profile, etwa auch dünnwandige Spundplatten grosser Dimensionen, geeignet ist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass
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sie starr auf der Stirnfläche des zum Versenken bestimmten Bauelements befestigt ist und Vertikalschwingungen des Systems, bestehend aus Rüttelmaschine und dem zum Versenken bestimmten Bauelement, mi1 einer Leergang-Amplitude des Systems gleich 1-3 cm und einer Frequenz von 3-7, 5 Hz, hervorruft. Durer diese Massnahmenwird auch die Resonanzwirkung des schwingenden Systems ausgenutzt, wodurch eine beträchtliche Effektsteigerung zu erzielen ist.
Bei der festgesetzten Amplitudengrösse ist es auch möglich, selbs
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diese Maschinen haltbarer und verbrauchen weniger Energie.
In näherer Ausbildung der Erfindung ist die Rüttelmaschine dadurch gekennzeichnet, dass für die star re Befestigung derselben am Pfahl, eine selbstverkeilende kegelförmige Vorrichtung vorgesehen ist, die aus einer mit dem Rüttelmaschinengehäuse verbundenen Metallkegelbüchse besteht, in welche ein Metallkörper, der auf der Pf ahlstirnfläche befestigt ist, hineinragt. Dadurch ist eine einfache Handhabung de Maschine im Betrieb gesichert.
Zwecks Anwendung der Rüttelmaschine zum Abteufen von Schächten ist sie z. B. auf Fachwerkkonstruktionen innerhalb eines Stahl- oder Stahlbetonmantels befestigt, der in der Schachtsohlenzone angeordnet ist und als Abteuf-Rüttelschild dient ; oberhalb des Rüttelschildes schliesst sich diesem die aus Ringen oder Tübbings zusammensetzbare Schachtauskleidung an.
Weitere Vorzüge und Zweckbestimmungen der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
In den Zeichnungen sind die möglichen konstruktiven Ausführungen der Rüttelmaschine dargestellt ; Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer Ausführungsart der zum Versenken von Pfählen bestimmten Niederfrequenz- Rüttelmaschine ; Fig. 2 zeigt die Ansicht in Pfeilrichtung "a".
Fig. 1 ; Fig. 3 zeigt der Schnitt III-III aus Fig. 1 ; Fig. 4 zeigt die Ansicht in Pfeilrichtung"b", Fig. l ; Fig. 5 zeigt die Verbindung der Rüttelmaschine mit dem versenkbaren Element J) lese Verbindungsbaugruppe ist mit einer hydraulischen Vorrichtung zum Lösen derRüttelmaschine vom versenkbaren Element ausgerüstet : Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsart der Verbindungsbaugruppe, Fig. 5 ; Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsart der Verbindung, Fig. 5 ; Fig. 8 zeigt eine vierte Ausführungsart der Verbindung, Fig. 5 ; Fig. 9 zeigt die schematische Darstellung einer Ausführungsart der Niederfrequenz-Rüttelmaschine zum Versenken von dünnwandigen Hohlzy-
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Fig. 1'0Pfeilkrichtung "d" aus Fig.9;
Fig.12 zeigteine Ausführungsart der Niederfrequenz-Rüttelmaschine zum Versenken von dünnwandigen Schalenplatten ; Fig. 13 zeigt den Grundriss, Fig. 12 ; Fig. 14 zeigt einen Schil ( zum Abteufen senkrechter Schächte, in welchem für dessen Vortrieb eine in den Fig. 9, 10 und 11 gezeig- te Niederfrequenz-Rüttelmaschine eingebaut ist ; Fig. 15 zeigt den Grundriss, Fig. 14 ; Fig. 16 zeigt die An. sicht in Pfeilrichtung e", Fig. 14, Fig. 17 zeigt einen Schild zum Abteufen senkrechter Schächte, in wel chem für dessen Vortrieb eine in den Fig. 12 und 13 gezeigte Rüttelmaschine eingebaut ist ; Fig. 18 zeig den Grundriss, s. Fig. 17.
Die Rüttelmaschine zum Versenken von Pfählen besteht aus einem Elektromotor 1, der mit dem Ge häuse 2 starr verbunden ist, in welchem ein Vierwellen-Senkrechtrichtwirkungs-Vibrator angeordnet isi der über ein Rädergetriebe 3 angetrieben wird, und einer selbstverkeilenden Kegelvorrichtung 4 zur star ren Verbindung derRüttelmaschine mit demPfahlkopf für eine Dauer der Pfählversenkung.
Bei Betrieb de auf dem Pfahl montierten Rüttelmaschine entstehen senkrechte Schwingungen des Systems "Rüttelmaschi- ne-Pfahl".u.zw. infolge der Höhenlagenänderung des Schwerpunktes des Systems, was ein Ergebnis des Ro. tierens des oberen (5 und 6) und des unteren (7 und 8) Wellenpaares mit den Exzentern 9, 10, 11 ùnd 12 is) Die Wellen jedes Wellenpaares laufen mit der gleichenGeschwindigkeit in entgegengesetzterDrehrichtung. Dabei besitzen die auf jeder Welle des gegebenen Wellenpaares sitzenden Exzenter gleiche statische Mo- mente in bezug auf die Wellenachsen. Die Umlaufgeschwindigkeit des oberen und des unteren Wellenpaare ist die gleiche und zwecks Ausnutzung der Resonanz-Erscheinungen'mit 6, 5 - 7, 5 Hz angenommen.
Nach dem in den Fig. 1, 2,3 und 4 gezeigten Schema können Rüttelmaschinen entwickelt werden, die sich nach der Motorleistung, dem Moment der unausgeglichenen Exzentermassen und der Umlaufge schwindigkeit der Wellen voneinander unterscheiden und zum Versenken von Pfählen mit einem Gewich von 0, 5-6 t und einer Tragfähigkeit der versenkten Pfähle von 25 - 250 t in unterschiedliche Bodenarte bestimmt sind.
Das Gehäuse 2 der Rüttelmaschine kann aus Stahlblech geschweisst werden. Die Arbeitswellen 5,6, 7 und 8 laufen im Gehäuse 2 in Wälzlagern. Die Exzenter 9,10, 11 und 12 sind auf den Arbeitswelle aufgekeilt und durch Schrauben mit Hilfe von Bügeln befestigt.
Die Schmierung der Zahnräder des Reduziergetriebes 3 am Antrieb der Rüttelmaschine erfolgt durc
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Verspritzen des Öls in denKammem an den Maschinenseiten (in der Figur nicht gezeigt), die Schmierung der Wellenlager erfolgt durch das bei der Maschinenfertigung eingebrachte und in Betrieb über die Press- öler (in der Figur nicht gezeigt) an den Stirnflächen der Wellen 5, 6, 7 und 8 nachzufüllende Schmierfett.
An den Aussenseiten des Maschinengehäuses 2 sind vier Führungsrollen 13 angebracht, die zum Betrieb der Maschine auf Rammenauslegem erforderlich sind. sowie vier Augbolzen 14 zum Befestigen der Anhängeseile.
Die selbstverkeilende Kegelvorrichtung 4 besteht aus der Kegelbüchse 15 (siehe Fig. 5,6, 7 und 8) die durch Schrauben amMaschinenboden befestigtist (in der Figur nicht gezeigt), und einen an der oberen Pfahlstirnfläche befestigten Stahlkegel 16. Beim Aufsetzen der Rüttelmaschine auf den Pfahl wird die Kegelbüchse 15 auf den Kegel 16 aufgesteckt und durch die Wirkung des Maschineneigengewichts wird eine starre Verbindung der Büchse 15 mit dem Kegel 16 erreicht.
Das Loskeilen der Kegelverbindung nach dem Versenken des Pfahls erfolgt mit Hilfe eines Keiles (in der Figur nicht gezeigt), der durch Hammerschläge in das zum Loskeilen bestimmte Loch 17 (siehe Fig.
3) der Kegelverbindung eingetrieben wird. Das Loskeilen muss bei gespanntem Maschinen-Hubseil oder während des Vibratorbetriebes mit kleinen Drehzahlen ausgeführt werden.
DerStahlkegell6 (siehe Fig. 5, 6,7 und 8) wird mittels Gewinde 18 in der Mutter 19 der Stützplatte 20 befestigt, die mit dem versenkbaren Pfahl starr verbunden ist. DieVerbindungsart der Stützplatte 20 mit dem Pfahl richtet sich nach Form und Werkstoff des Pfahls und die Verbindung kann konstruktiv verschieden- lich ausgeführt werden. So wird z. B. an einem Stahlrohrpfahl die Kegelstützplatte mit vier an die Rohrwand geschweissten Schrauben befestigt (in der Figur nicht gezeigt). Die Stützplatte 20 mit dem Kegel 16 soll am Pfahl vor Aufstellung desselben an der Versenkstelle befestigt werden. Die Keilkraft der Kegelverbindung 15,16 mit dem Pfahl erreicht 30-50 t.
Deshalb muss zum Loskeilen der Kegelverbindung 15,16 eine ebenso grosse Kraft angewendet werden und stellt das Handloskeilen mittels Keil. wofür das Loch17 (Fig. 3) bestimmt ist, eine schwere Arbeit dar.
Zwecks Mechanisierung der Handarbeit beim Loskeilen der Verbindung 15,16 kann das hydraulische Loskeilen angewendet werden. Zu diesem Zweck kann in der Kegelbüchse 15 (siehe Fig. 5, 6 und 7) ein Kolben 21 eingebaut werden, der, falls ein Flüssigkeitsdruck über der oberen Kolbenstirnfläche im Hohlraum 23 der Kegelbüchse 15 erzeugt wird, mit seiner unteren Stirnfläche 22 auf die obere Stirnfläche des Kegels 16drückt. DieserDruck kann durch Einpressen der Flüssigkeit über den Stutzen 24 (Fig. 5) mit Hilfe einer Pumpe, durch Einschrauben seines Plungers 25 mit dem Handgriff 2C (siehe Fig. 6) oder durch die auf den Plunger 27 ausgeübte Schlagkraft (siehe Fig. 7) erzeugt werden.
In den letzten beiden Fällen ist der durch den Kolben 21 auf den Kegel 16 ausgeübte Flüssigkeitsdruck proportional der Einschraubkraft, der Schlagkraft und dem Verhältnis zwischen dem Plunger- und dem Kolbenquerschnitt.
Statt einer Flüssigkeit kann in dem über dem Kolben liegenden Kegelbüchsenraum ein Hyclroplast- werkstoff Verwendung finden und in diesem Fall muss das Gewicht des Kolbens und der hydraulischen Schicht kleiner sein als der seitens des Kegels auf den Kolbenunterteil wirkende atmosphärische Druck. Der Druck im Hydroplastwerkstoff und dementsprechend der Druck, der durch den Kolben auf den Kegel ausgeübt wird, kann durch einen sicheinschraubendenoderdurchSchläge eingetriebenenPlunger, wie es in den Fig. 6 und.
7 gezeigt ist, erzeugt werden.
Ausserdem kann das Loskeilen der Kegelverbindung 15,16 durch den Druck der'in den Hohlraum 28 (Fig. 8) der Büchse 15 über der Stirnfläche des eingesetzten Kegels 16 eingepressten Flüssigkeit erfolgen ; in diesem Fall wird unten am Kegel 16 eine Manschette 29 eingesetzt, welche die Berührungsflächen überdeckt. Die Manschette 29 wird durch die Mutter 30 angedrückt, die in das Gewinde 31 am Kegelunterteil eingreift.
Die Niederfrequenz- (Resonanz)-Rüttelmaschinen können nicht nur zum Versenken von Pfählen angewendet werden, sondern auch zum Abteufen in Sandböden von Schalen mit einem Gewicht bis 40 t unter Aushub des Erdreiches aus dem Hohlraum der versenkbaren Schale. Praktisch ist es durchaus möglich, Schalen mit einem grösseren Gewicht auch in Böden anderer Arten abzuteufen.
Zum Abteufen von schweren Schalen besteht die Rüttelmaschine aus zwei unausgeglichenen, in einem Gehäuse 33 angeordneten Einwellenvibratoren 31 und 32 (siehe Fig. 9,10 und 11). In der Mitte des Gehäuses 33 ist eine Öffnung 34 zum Ausheben des Erdreichs aus dem Hohlraum der versenkbaren Schale vorgesehen. Die Förderung des Erdreichs kann mittels eines pneumatischen Höhenförderers oder einer hydraulischen Schöffbuchse erfolgen. Die Öffnung 34 wird beim Betrieb der Rüttelmaschine auch zum Absenken von D ruckwasserrohren für die Zerstörung des Bodens im Hohlraum der Schale benutzt. Die Befestigung der Maschine auf der versenkbaren Schale 35 erfolgt mit Hilfe des Flansches 36 und mit Schrauben.
Der synchrone Betrieb beider Vibratoren wird durch die mechanische Koppelung der Vibratorwellen
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durch die Kuppelräder 37 und durch die elektrischeKoppelung seitens der Läufer und Ständer der Asynchronmotoren bei gemeinsamem Anlasswiderstand gewährleistet.
Bei der Errichtung von Kais, Anlegestellen, Kanalschutzwänden, Schleusen und Schutzwänden gegen Filtration werden übliche Pfähle oder Spundpfähle nach dem dynamischen oder Rüttelverfahrenreihenför- mig versenkt. Auf diese Weise werden im Bodenbereich Wände errichtet. Die Niederfrequenz-Rüttelmaschine ermöglicht es, an Stelle üblicher oder Spundpfähle dünnwandige Stahlbeton-Schalenplatten zu versenken, die der Grundrissform nach mehreren in einer Flucht zusammengeschlossenen Larsen-Spundpfählen entsprechen. Im Oberteil müssen diese Schalenplatten einen Versteifüngsbalken zum Aufnehmen und Befestigen der Rüttelmaschine besitzen.
Der Erfolg dieser Arbeit ist durch das Abteufen von dünnwandigen zylindrischen Schalen aus Stahlbeton bestätigt. So z. B. hat eine zylindrische Schale aus Stahlbeton mit dem Durchmesser von 3 m, die mit Hilfe der beschriebenen Niederfrequenz-Rüttelmaschine abgeteuft wurde, in abgewickeltem Zustand die Form einer Platte von 9, 3 m Länge.
Eine Ausführungsart der angeführten Niederfrequenz- (Resonanz)- Rüttelmaschine zum Abteufen von dünnwandigen Platten (Schalen) ist in den Fig. 12 und 13 gezeigt. Diese Ausführungsart ist dadurch gekennzeichnet, dass die Umlauffrequenz der Exzenter, zwecks Ausnutzung der Resonanz-Erscheinung, mit 4 bis 5 Hz angenommen wurde. Gemäss der oben angegebenen Formel wird zur angenäherten Bestimmung der Eigenfrequenz einer Platte als starrer Körper im Bodenbereich die Eigenfrequenz des Systems/Rüttelma- schine Schale (Platte)/, unter Berücksichtigung des in der Praxis vorkommenden tatsächlichen Systemge- wichtes und der Bodenbeschaffenheit gleich 4-5 Hz angenommen.
Eine Ausführungsart der Rüttelmaschine zum Versenken von Platten (Schalen) besteht aus einem Elektromotor 38 mit Wellenauskragungen an beiden Seiten. Die Enden 39 und 40 der Motorwelle 28 werden durch die Kupplungen 41 und 42 mit zwei Reduziergetrieben 43 und 44 verbunden. Jedes Reduziergetriebe besitzt zwei Kegelräder : 45, 46 und 47, 48. An den ausragenden Enden der Reduziergetriebewellen 49 und 50 sind an beiden Seiten die Exzenter 51,52 und 53, 54 befestigt. Der Motor und die Reduziergetriebe sind auf der gemeinsamen Stützplatte 55 der Rüttelmaschine gelagert und befestigt.
Auf der Stützplatte sind vier Dämpfer 56, 57, 58 und 59 zumBeseitigen derSchwingungswirkung des Systems angeordnet, die durch den Querbalken 60 und die Anhängeseile 61 auf den Kranausleger übertragen werden kann ; die Anhängeseile 61 halten die Platte 62 während deren Versenkens in senkrechter Stellung. Die Stützplatte 55 der Rüttelmaschine wird auf der versenkbaren Platte (Schale) 62 mittels Stiftschrauben 63, deren Enden an die Plattenbewehrung geschweisst sind, befestigt.
Um die Löcher in der Stützplatte 55 der Rüttelmaschine zum Zusammenfallen mit den aus der versenkbaren Platte (Schale) 62 ausragenden Stiftenden zu bringen, ist eine Zwischenplatte 64 als Schablone angeordnet.
Die in den Fig. 12 und 13 dargestellte Ausführungsart der Rüttelmaschine kann zum Versenken auch von dünnwandigen Zylinderschalen benutzt werden, falls die Maschine auf der Durchwasserlinie des versenkbaren Zylinderkörpers befestigt wird.
Zu den Aufgaben der Bauindustrie gehört auch das Anlegen senkrechterschächte für verschiedene Verwendungszwecke. Diese Arbeiten werden in lockeren Bodenarten oft mit Hilfe der Wasserhaltung, des Gefrierverfahrens oder des Druckluft-Senkkastenverfahrens ausgeführt. Die Schächte werden in der Regel auf eine grosse Tiefe abgeteuft. Die Anwendung einer Rüttelmaschine ist in diesen Fällen nicht nur durch das Gewicht der versenkbaren Konstruktion beschränkt, sondern auch durch die Reibungskraft, die sich an der Aussenfläche des Mantels mit steigender Senktiefe vergrössert. Deshalb ist es zweckmässig, die Rüttelmaschine in derNähe derSchachtsohle anzuwenden.
Zu diesem Zweck sind die in den Fig. 9,10, 11,12 und 13 gezeigten Rüttelmaschinen zum Abteufen von zylindrischen oder flachen Platten (Schalen) innerhalb des Stahl- oder Stahlbetonzylinders 65 (siehe Fig. 14, 15, 16, 17 und 18) zu montieren, der als Mantel eines Abteuf-Rüttelschildes dient und es dadurch ermöglicht, die Arbeiten nach dem Abteufverfahren für tiefe Schächte auszuführen ; dabei wird die Rüttelmaschine auf den Fachwerkbauelementen 66 innerhalb dei Mantels 65 befestigt. Der Ausbau des Schachtes in der Zone oberhalb des Rüttelschildes wird mit Tübbings 67 ausgeführt ; dabei wird in der ersten Periode des Vortriebs mittels Rüttelschild das Gewicht der Schachtauskleidung über die elastischen Abstützungen 68 teilweise auf den Schild selbst übertragen.
Anlegen eines Schachtes mit Hilfe eines Rüttelschildes erfolgt bei komplizierten hydrogeologischen Verhältnissen nach dem Teleskopschema ; die Mantelhöhe des Rüttelschildes ist dabei unter Berücksichtigung des notwendigen Schutzes gegen wassergesättigte Gebirgsschichten zu bestimmen.
Der Rüttelschild, der aus einer Rüttelmaschine zum Abteufen von dünnwandigen zylindrischen Körpe r zusammengestellt wird, (siehe Fig. 14,'15 und 16), besitzt eine Zentralöffnung 69 zum Ausheben des Erdreichs und zum Durchlassen der Arbeiter in die Schildkammer.
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Abteufenfördern von Material und Arbeitspersonal benutzt werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Rüttelmaschine zum Versenken von Pfählen, Stäben, dünnwandigen Senkbrunnen-Schalen und dünnwandigen Spundplatten grosserDimension in den Boden, dadurch gekennzeichnet, dass sie starr auf der Stirnfläche des zum Versenken bestimmten Bauelements befestigt ist und Vertikalschwingungen des Systems, bestehend aus Rüttelmaschine und dem zum Versenken bestimmten Bauelement, mit einer Leergang-Amplitude des Systems gleich 1-3 sm und einer Frequenz von 3-7,5 Hz, hervorruft.