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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Eintreiben und Ausziehen
von stabförmigen
Elementen in den oder aus dem Boden nach dem Patentanspruch 1. Die
Erfindung bezieht sich außerdem auf
eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Das
Eintreiben oder Ausziehen von stabförmigen Elementen, wie Spundbohlen,
Rohre oder dergleichen in den Erdboden und das Herausziehen aus diesem
erfolgt üblicherweise
mit Hilfe von sogenannten Rüttlern
oder Vibratoren. Die Rüttler
werden am stabförmigen
Element klemmend befestigt und sind entweder lediglich an dem Seil
eines Krans oder Baggers angehängt
oder werden an einem sogenannten Mäkler geführt (gefesselt), einer hohen
vertikalen Führung,
durch welche der Vibrator bzw. das stabförmige Element beim Eintreiben
eine entsprechende Führung
erfährt.
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Bei
den Rüttlern
oder Vibratoren unterscheidet man zwischen harmonischen axialen
Erregern und harmonischen Dreherregern. Harmonische axiale Erregung
kann zu einer starken Belastung des Gesamtsystems führen und
bei dem Eintreiben zu einer Pfropfenbildung bei Rohren kleineren
Durchmessers. Vibratoren oder Rüttler
mit harmonischer Dreherregung sind wesentlich schonender für das System
Erreger/Stab. Dafür
ist jedoch die Einbringgeschwindigkeit kleiner.
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Hydraulische
oder elektrische Vibratoren zeichnen sich dadurch aus, daß sie zwei
oder mehr Wellenpaare aufweisen und jede Welle mit einem Exzentergewicht
versehen ist. Mit Hilfe eines solchen Dreherregers wird das Moment
nach Art einer harmonischen Sinusschwingung aufgebracht, wobei das Eintreibmoment
durch das Gewicht des Rüttlers
bzw. von der Auflastvorspannung überlagert
wird. Es ist bekannt, derartige Vibratoren mit Einstellmitteln für die Wellen
zu versehen. Liegen die Exzentergewichte eines Wellenpaares um 180° phasenversetzt,
wird im wesentlichen keine Eintreibkraft auf das stabförmige Element
ausgeübt.
Liegen die Exzentergewichte hingegen gleichphasig, wird die maximale
Eintreibkraft aufgebracht. Durch unterschiedliche Einstellung der
Wellenpaare läßt sich
mithin stufenweise die Zentrifugalkraft, die für die Eintreibkraft verantwortlich
ist, von dem Wert Null auf den maximalen Wert und umgekehrt verstellen.
Dieser Effekt wird ausgenutzt, um einen Vibrator schonend in Betrieb
und aus dem Betrieb zu nehmen.
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Die
Böden sind
im allgemeinen nicht homogen. Sie können aus mitteldicht bis dicht
gelagerten Sanden bestehen, aus Torfen, Mudde, Klei mit stark wechselnden
Wassergehalten und von unterschiedlichen Mächtigkeiten. Um eine optimale
Eintreibgeschwindigkeit zu erhalten, müssen die Vibratorfrequenzen
an die Eigenfrequenzen der Bodenschichten angepaßt werden. Sie liegen bei Torfen
z. B. im Bereich von ≤ 17
Hz und ≥ 30
Hz z. B. für
oben liegende und unterlagernde Sande. Der Motor, beispielsweise
ein Hydraulikmotor oder ein Elektromotor, ist daher in seiner Drehzahl
veränderlich
auszulegen, um den Vibrator mit unterschiedlichen Frequenzen betreiben
zu können.
Bei bindigen Böden,
die nicht oder schlecht rüttelbar
sind, ist auch bekannt, den Einbringvorgang durch Auflastvorspannung
zu unterstützen.
In rüttelfähigen Böden erhöht die Vorspannung
die Eindringgeschwindigkeit des Rammelements.
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Es
ist bekannt, geotextilummantelte Sandsäulen in nicht oder schlecht
tragfähigen
Böden einzusetzen,
um ein Flächentragsystem
zu errichten, das auf der interaktiven Wirkung des Säulensystems mit
dem anstehenden Weichboden besteht. Zur Herstellung der Sandsäulen werden
unten offene oder Verdrängungsrohre
in den Boden eingetrieben. Eine in das Rohr eingebrachte Geotextilhülle wird
anschließend
mit Sand gefüllt.
Das Rohr wird anschließend
ebenfalls mit Hilfe des Vibrators herausgezogen, wobei auf den Sand
ein gewisser Verdichtungseffekt ausgeübt wird. Die Verdichtung der
Säule soll eine
Aktivierung der Geotextilummantelung vorwegnehmen, die im übrigen durch
Auflast und Liegezeit erreicht wird.
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Ähnliche
Verhältnisse
liegen vor bei der Errichtung von sogenannten Ortbetonpfählen. Der
Beton wird in das zuvor in den Boden eingetriebene Rohr eingefüllt und
durch Rütteln
beim Ausziehen verdichtet. Verbreitete Herstellmängel, wie Einschnürungen des
Pfahls, werden weitgehend vermieden.
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Insbesondere
bei der Verwendung von Verdrängungsrohren,
d. h. am unteren Ende durch eine Spitze einen Deckel verschlossenen
Rohren, ist mit hohen Rammwiderständen zu rechnen. Diese setzen sich
zusammen aus der Mantelreibung und dem sogenannten Spitzenwiderstand.
Die Mantelreibung wird im wesentlichen durch Bodenumlagerung aufgrund
des Vibrationsvorgangs überwunden,
während der
Spitzenwiderstand durch die schlag- oder stoßartig erzeugte axiale Eintreibkraft überwunden
wird.
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Es
hat sich herausgestellt, daß während der Säulen- oder
Pfahlerstellung bei einem mit einem Vibrator zu ziehenden Rohr in
Abhängigkeit
von den Bodenparametern des Füllgutes
nur lockere bis überwiegend
mitteldichte Lagerungsdichten erreicht werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit
dem zum einen das Eintreiben von stabförmigen Elementen, wie Rohren, in
den Boden er leichtert bzw. beschleunigt und zum anderen beim Ausziehen
von rohrartigen Elementen das in das Rohr eingefüllte Material höher verdichtet werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
werden mit Hilfe von zwei exzentrisch auf gegenüberliegenden Seiten am stabförmigen Element
angreifenden Vibratoren mit einstellbarem Moment gleichphasig unterschiedlich
große
Momente auf das stabförmige Element
aufgebracht.
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Durch
das differente Aufbringen der Momente auf das stabförmige Element
werden periodisch Transversal- und Longitudinalschwingungen aufgebracht,
wobei sich der Anteil der Longitudinalschwingungen zu Lasten der
transversalen Schwingungskomponente verringert. Die Transversalschwingung führt zu einer
Verringerung der Mantelreibung, was insbesondere bei einem Eintreiben
in bindige Böden von
großem
Vorteil ist, da der Bodenabriß über die Longitudinalschwingung
in diesen Böden
schwer erreicht werden kann. Es ist daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
möglich,
bei beliebigen Bodenbeschaffenheiten einen optimalen Eintreibbetrieb
zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße Verfahren
hat jedoch den weiteren Vorteil, daß die Transversalschwingungen
zu einer signifikanten Verdichtung des Materials im Inneren eines
Rohres führen.
Eine erhöhte
Verdichtung ist von Vorteil bei der Errichtung von geotextilummantelten
Sandsäulen,
da der sogenannte Aktiviervorgang für die Textilummantelung bereits
bei Errichtung der Säulen
erhalten wird und nicht gewartet werden muß, bis durch eine entsprechende
Auflast dieser Vorgang initiiert wird. Ein erhöhter Verdichtungseffekt ist
jedoch auch vorteilhaft bei der Errichtung von Ortbetonsäulen oder
bei sogenannten Schottersäulen.
Letztere können
nach dem Stand der Technik oft nicht mit Hilfe von Rohren errichtet
werden, weil der angestrebte Verdichtungseffekt über das Rohr nicht ausreichend
ist. Vielmehr erfolgt die Zufuhr des Schotters parallel zu einem
sogenannten Torpedorüttler,
der das Schottermaterial schrittweise verdichtet. In diesem Zusammenhang
ist ferner bekannt geworden, Schottersäulen oder verdichtete Sandsäulen mit
speziellen Profilbohlen einzubringen bzw. herzustellen, die nach
Maßgabe
der Eigenfrequenz des Bodens mit Löchern oder Ausnehmungen versehen
werden. Für
geologisch unterschiedliche Böden
müssen
die Profilbohlen spezifisch angepaßt werden, was mit einem erheblichen Aufwand
verbunden ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
nach Patentanspruch 2 sieht eine vorzugsweise an einer vertikalen
Führung
führbaren
Plattform vor mit einer Öffnung
oder Spannvorrichtung, durch welche sich das stabförmige Element
hindurch erstrecken oder an der es eingespannt werden kann. An der
Plattform sind Spannmittel zur Befestigung des stabförmigen Elements
in der Öffnung
vorgesehen. Auf der Plattform sind Vibratoren bzw. Erregerzellen
auf annähernd
gegenüberliegenden
Seiten der Öffnung
bzw. der Spannvorrichtung angeordnet. Darüber hinaus sind Mittel zur
individuellen Einstellung des Moments an jedem Vibrator vorgesehen.
Das kann innerhalb einer gemeinsamen Getriebezelle mit getrennten
Wellenlagerungen erfolgen als dualer Aufsatzrüttler oder auch nach dem bekannten
Prinzip des Gürtelrüttlers.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
geht daher von einem Rüttler
aus, der auf gegenüberliegenden
Seiten einer Plattform jeweils eine Erregerzelle aufweist. Der Rüttler erzeugt
wie jeder Vibrator eine harmonische Schwingung, die den Boden über Transversal-
und Longitudinalwellen periodisch anregt und das Eindringen des
Rammelements bewirkt. Bezogen auf das Rammelement handelt es sich
um eine vorwiegend vertikal gerichtete Schwingung. Zu diesem Zweck
sind beide Erregerzellen nach Art eines Gürtelrüttlers miteinander synchronisiert.
Gürtelrüttler haben
den Vorteil, daß das
stabförmige
Element durch sie hindurch geführt
werden kann. Dies ist z. B. bei Rohren vorteilhaft, die mit einem
Material gefüllt
werden sollen. Es ist daher nicht erforderlich, den Vibrator oder
den Rüttler
vom Rohr zu entfernen, um schüttfähiges Material,
wie Sand, Beton, Schotter oder dergleichen, einzufüllen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind die Vibratoren jedoch mit Mitteln zur differenten Verstellung
des Moments (Moment Differential Control – MDC) versehen. Auf diese
Weise wird resultierend ein asynchrones Moment (Torsion) auf das
stabförmige
Element aufgebracht, wodurch verstärkt transversale Schwingungen
erzeugt werden, und zwar auch beim Ziehen des stabförmigen Elements.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung sind für die Vibratoren Dreherreger
vorgesehen mit zwei oder mehr Wellenpaaren, wobei jede Welle ein
Exzentergewicht aufweist und Einstellmittel für jeweils eine Welle eines
Wellenpaares vorgesehen sind. Die Antriebsmotoren der Vibratoren,
beispielsweise Hydraulik- oder Elektromotoren, werden synchron betrieben.
Bei Hydraulikmotoren erfolgt z. B. eine mechanische Kopplung über eine
Welle. Auf diese Weise kann bei einem Eintreiben oder einem Ausziehen eines
stabförmigen
Elements der eine Vibrator mit 100 % und der andere mit z.B. 85
% des maximalen Moments arbeiten. Auf diese Weise wird eine signifikant
höhere
Verdichtung des eingefüllten
Materials erhalten.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielshalber
erläutert
werden.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Baufahrzeugs mit einem Mäkler und
einer Vorrichtung nach der Erfindung.
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2 zeigt
die Vorderansicht der Vorrichtung nach 1.
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3 zeigt
einen Schnitt durch die Vorrichtung nach 2 entlang
der Linie 2-2.
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4 zeigt
einen Schnitt durch die Vorrichtung nach 3 entlang
der Linie 4-4 bei geöffneten Spannbacken.
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5 zeigt
eine ähnliche
Darstellung wie 4, jedoch mit geschlossenen
Spannbacken.
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6 zeigt
schematisch die Wirkungsweise eines Vibrators mit Dreherregung mit
verstellbarem Moment nach dem Stand der Technik.
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In 1 ist
bei 10 allgemein ein Bagger bezeichnet, der an einem nicht
näher beschriebenen Haltegerüst 12 einen
Mäkler 14 in
vertikaler Position hält.
Am Mäkler 14 ist
ein Wagen 16 vertikal geführt, der von einem Seil 18 gezogen
oder herabgelassen wird. Dies ist in 1 nicht
weiter dargestellt. Am Wagen 16 befindet sich ein Gürtelrüttler 20,
auf den weiter unten noch eingegangen wird. In den Gürtelrüttler 20 eingespannt
ist ein Verdrängungsrohr 22, das
am unteren Ende eine aufklappbare Spitze 24 aufweist. An
einem weiteren Wagen 26, der am Mäkler 14 geführt ist
und an einem Seil 28 betätigt wird, ist ein Trichter 30 angebracht.
Mit Hilfe des Trichters 30 kann in das obere Ende des Verdrängungsrohrs 20 körniges Material
eingetragen werden. Der Trichter kann durch eine Betonzuführung am
Mäkler
oder Ziehjoch ersetzt werden.
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Nachfolgend
soll der Gürtelrüttler oder
-vibrator 20 anhand der 2 bis 5 näher erläutert werden.
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In 2 ist
eine Plattform 32 zu erkennen, die an gegenüberliegenden
Enden jeweils eine Erregerzelle 34 bzw. 36 trägt. Es handelt
sich hierbei um dreherregte Vibratoren, auf deren Aufbau nachfolgend
noch kurz eingegangen werden soll. Auf der Plattform 32 befindet
sich mittig ein zylindrischer Durchgang, der bei 38 in
den 3 bis 5 zu erkennen ist. Unterhalb
und oberhalb des zylindrischen Durchgangs sind Spannbackenpaare
angeordnet. In den 3 bis 5 sind lediglich
Spannbacken 40, 42 des unteren Paares zu erkennen.
Sie werden von einem Verstellzylinder 46 bzw. 48 betätigt. Die
Verstellzylinder greifen an einem Ende der Backen 40, 42 an,
während
das andere bei 50 bzw. 52 plattformfest schwenkbar
gelagert sind. Beim Anziehen der Spannzylinder wird das Rohr 22 fest
eingespannt. Bei der Variante Aufsatzrüttler (nicht gezeigt) befindet sich
die Spanneinrichtung innerhalb der Plattform.
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In 2 erkennt
man zwei Wellen 54, 56, die über ein nicht bezeichnetes
Kardangelenk jeweils mit einem Vibrator 34 bzw. 36 gekoppelt
sind, und zwar mit einem Einstellgetriebe für das Drehmoment. Hierauf wird
weiter unten noch näher
eingegangen. Am anderen Ende sind die Wellen 54, 56 jeweils
mit einem Nocken 58 bzw. 60 gekoppelt, die in
dem Gestell oberhalb der Plattform 32 schwenkbar gelagert
sind. Jeder Nocken 58, 60 ist mit einem Verstellzylinder 62 bzw. 64 verbunden,
die am anderen Ende plattformfest angelenkt sind.
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In 6 sind
vier Wellenpaare eines nicht weiter dargestellten dreherregten Vibrators
in vier verschiedenen Betriebspositionen übereinander angeordnet dargestellt.
Jede Welle 70 ist mit einem Exzentergewicht 72 gekoppelt.
In der untersten Darstellung liegen die Exzentergewichte 72 übereinander angeordneter
Wellenpaare gegenphasig, so daß bei einer
Rotation aller Wellen die axial gerichteten Bestandteile der Fliehkräfte sich
kompensieren. Die auf das Rohr 22 ausgeübte Eintreibkraft wäre mithin
Null. In der obersten Darstellung liegen alle Exzentergewichte 72 gleichphasig,
so daß ein
maximales Moment vom Vibrator erzeugt wird. In der zweit-untersten
Darstellung liegt eine Phasenverschiebung von 90° zwischen oberen und unteren
Wellen vor. Somit wird etwa 50 % des maximalen Moments erzeugt.
In der zweit-obersten Darstellung liegt eine Phasenverschiebung
von 120° vor
und somit eine Drehmomenterzeugung von 75 % des maximalen Moments.
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Wie
schon weiter oben beschrieben, wird mit Hilfe der Verstellzylinder 62, 64 und
der Wellen 54, 56 das Moment der Vibratoren 34, 36 individuell
eingestellt, während
die Antriebsmotoren, beispielsweise Hydraulikmotoren, die hier nicht
gezeigt sind, z. B. über
eine Welle mechanisch gekoppelt sind und somit synchron laufen;
sie sind in der Drehzahl verstellbar, um unterschiedliche Vibratorfrequenzen
zu erzeugen. Bei asynchron aufgebrachtem Moment auf das Rohr 22 wird
eine signifikante Transversalerregung auf das Rohr 22 ausgeübt, welche
das Rohr zu einer Torsionsschwingung veranlaßt und diese wiederum zu einer
Horizontalschwingung dergestalt, daß z. B. beim Eintreiben eines
Rohres ein gewisser Hohlraum um die Rohrwandung herum gebildet wird, so
daß die
angreifenden Reibungskräfte
minimiert werden. Dies ist besonders wichtig beim Eintreiben in bindige
Böden,
welche durch die Schwingungen mit üblicher Vibratoren nicht „fluidisiert" werden können. Für das Ausziehen
z. B. von Rohren sind die erzeugten horizontalen Schwingungen von
großer
Bedeutung, wenn gleichzeitig ein Verdichtungseffekt auf das Material
im Rohr erzeugt werden soll.
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Wie
aus der Seitenansicht in 1 hervorgeht, haben die Vibratoren
des Gürtelrüttlers 20 lediglich
zwei Wellenpaare, die in oben beschriebener Weise angesteuert werden
können,
daher nicht so ausgeführt
sind, wie in 6 dargestellt. Für die Wirkungsweise
ist dies jedoch ohne Bedeutung.