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Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines tragfähigen Bereiches
im Erdboden Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen, mittels derer im
Erdboden ber_,renzte Bereiche oder Gebilde aus gegenüber dem Erdboden unterschiedlichem
Material, die beispielsweise eine höhere Festigkeit, Dichte und/oder Härte aufweisen,
erzeugt werden, und zwar zum Zweck von Bodengründungen oder anderen Unterbau-Verstärkungen
für Gebäude, Straßen, Abschußrampen und dergleichen, oder bei unbefestigtem Sand
zum Zweck einer Bodenentwässerung. Andere Anwendungsbeispiele der Erfindung
betreffen
das Injizieren von den bodenverfestigenden Chemikalien, Kunststoffen und dergleichen.
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Insbesondere betrifft die Erfindung das Injizieren von bodenfremdem
Material in den Erdboden mit Hilfe von hochfrequenten, im Schallwellenbereich befindlichen
Schwingungen. Die zu injizierenden Materialien können Zementbrei, frisch gemischter
Beton, den Boden verfestigende Chemikalien oder Kunststoffe, lockerer Sand und dergleichen
sein, je nach den jeweiligen Erfordernissen.
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Gemäß einem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein
das Material injizierender Körper in Form eines langgestreckten elastischen Stabes
oder Pfahles in den Erdboden eingesenkt, beispielsweise in eine vorher hergestellte
Höhlung oder Erdrohrung.
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Dieser Injektionspfahl ist so ausgebildet, daß er eine Leitung für
das zu injizierende Material darstellt. Im Injektionspfahl werden hochfrequente
elastische Schwingungen erzeugt und die entstehenden Schwingungen auf das den Pfahl
umgebende Erdreich übertragen. Das Erdreich wird unter der Einwirkung dieser Schwingungen
in einen aktiven, fließfähigen Zustand versetzt, verdichtet sich und kann somit
vom Injektor zugeführtes Material in großem Umfang aufnehmen.
Es
soll beispielsweise angenommen werden, daß im Boden-Untergrund ein Bohrloch existiert.
In dieses Loch wird nun ein zylindrischer Injektionspfahl aus hochelastischem Material,
beispielsweise Stahl, der das Bohrloch vollständig ausfüllt, eingesetzt. Der Pfahl
weist eine Längsbohrung auf, die als Zuführungsleitung für das zu injizierende Material
dient. Ein Generator für hochfrequente Schwingungen, der mit dem elastischen Pfahl
gekoppelt ist, erregt dann in diesem elastische Schwingungen, worauf diese Schwingungen
von der gesamten Oberfläche des Pfahles aus auf bzw. in das Erdreich übertragen
werden. Das in die Erdbohrung durch den Injektorpfahl hindurch zugeführte Material,
beispielsweise Zementbrei, füllt zuerst den Zwischenraum zwischen der Pfahlspitze
und dem Boden des Bohrlochs aus, sowie den Zwischenraum zwischen dem Pfahl und der
Seitenwandung des Bohrlochs. Letzteres Material dringt in die Wandung des Erdlochs
ein und füllt jeden zyklisch auftretenden Zwischenraum entlang des Pfahles, der
auf Grund der periodischen Ausdehnung und Zusammenziehung des Pfahls während der
hochfrequenten Schwingungen entsteht. Das auf diese Weise eingedrungene Material
wird infolge der hochfrequenten Schwingungen des Pfahls periodisch gegen die Wände
des Bohrlochs unterhalb des Pfahls geprellt, wie weiter unten näher erläutert wird.
Die vom Pfahl in das Erdreich ausgesendeten Schwingungen werden diesem über das
zwischenliegende
Zementmaterial übertragen, wobei der Zement auf
Grund seiner Schwingungen gegen das Erdreich "Schläge" ausführt. Dabei wird der
Zementbrei stark verdichtet und trägt dazu bei, die relativ niedrige Impedanz des
Erdbodens der höheren Impedanz des Injektorpfahles anzupassen.
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Die Wirkung der in und durch das Erdreich gesendeten Schwingungen
ist, daß das Erdreich rund um das Bohrloch in einen fließfähigen Zustand versetzt,
d. h. in kleinste Teilchen zerteilt und beweglich gemacht wird, so daß das Erdreich
"fließt", in Art einer Flüssigkeit. Der periodisch gegen den auf diese Weise in
den fließfähigen Zustand gebrachte Erdboden gepreßte Injektions-Zementbrei drückt
das Erdreich zurück und verdichtet es dabei. Leerstellen innerhalb der ursprünglichen
Bodenstruktur werden durch fließfähiges Erdreich aufgefüllt und es zeigt sich eine
allgemeine Verdichtung.
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Im Bohrloch bildet sich somit ein fester Körper aus injiziertem Material,
der sich über die ursprünglichen radialen Grenzen des Bohrlochs hinaus erstreckt,
je nach der erzielten Bodenverdichtung. Ein Teil des injizierten Materials erstreckt
sich astartig in das umgebende Erdreich, wobei es Leerstellen und Luftlöcher ausfüllt
und dadurch zu einer weiteren Verfestigung beiträgt.
Wenn das injizierte
Material ausgetrocknet und gehärtet ist, ergibt sich ein fester Einsatzkörper, dessen
Durchmesser im allgemeinen etwas größer ist als derjenige des ursprünglichen Bohrloches,
je nach dem Zurückweichen und der Verdichtung des Erdbodens. Wenn der ursprüngliche
Erdboden relativ weich und damit leicht verdichtbar ist, so wird der Zementkörper
einen Bereich wesentlich größeren Durchmessers ausfüllen, als wenn der ursprüngliche
Boden bereits eine gewisse Härte aufweist. Der Umfang des Zementkörpers steht somit
in direktem Zusammenhang mit der ursprünglichen Härte des Erdreiches. Der eingesetzte
Körper besitzt im wesentlichen einen Kern aus reinem Zement und eine Schale, die
aus einem Gemisch aus Erdreich und Zement besteht, wobei sich der Zementanteil in
Richtung radial nach außen vermindert. An der Außenseite des Einsatzkörpers äind
manchmal, je nach den lokalen Bodenbedingungen, abstehende "Äste" aus Injektionsmaterial
festzustellen, die nach außen in das Erdreich eingedrungen sind. Diese "Äste" verjüngen
und verzweigen sich, und es kann nachgewiesen werden, daB das Verhältnis von Zement
zu Erdreich in Richtung in das Erdreich hinein ständig abnimmt. Diese Zementäste
verankern den Zementkörper, etwa in der Weise der Äste eines Baumes. Nach einer
Ausführungsform der Erfindung wird der
Injektor mit dem Einfüllen
des Zementes nach oben gezogen, so daß der Zement das Bohrloch bis zur Erdoberfläche
anfüllt, auf welche Weise im Erdboden eine Säule aus Zement oder Beton besteht,
die als Pfahl dient.
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Manche Materialien, wie z. B. Beton, werden auf Grund der hochfrequenten
Schwingungen bzw. Vibrationen in ungewöhnlich hohem Ausmaß verdichtet, so daß der
gemäß der Erfindung eingesetzte, verfestigte Körper eine wesentlich gesteigerte
Härte, Dichte und Gesamtbelastbarkeit aufweist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen. Auf der Zeichnung sind
Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen: Fig.
1 im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Schwingungs-Injektor, Fig. 2 einen Schnitt
entlang der Linie II-II von Fig. 1, Fig. 3 einen Teilschnitt entlang der Linie III-III
von Fig. 1, Fig. 4 eine Abwandlungsform des Schwingungsinjektors innerhalb eines
Bohrloches, teilweise in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt, Fig. 5 einen
Längsschnitt durch den oberen Teil des Injektors von Fig. 4,
Fig.
6 einen Querschnitt entlang der gestrichelten Linie VI-VI von Fig. 5, Fig. 7 einen
Teilschnitt entlang der Linie VII-VII von Fig. 4, Fig. 8 einen Schnitt entlang der
Linie VIII-VIII von Fig. 6, Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX von Fig.
4, Fig. 10 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung während
des Betriebs in einem Erdloch, und Fig. 11 im vergrößerten Teilschnitt einen flexiblen
Glockenkörper am unteren Ende der Vorrichtung von Fig. 10. Auf den Fig. 1 bis 3
ist mit 10 eine Erdbohrung bzw. ein Erdloch bezeichnet, das mit Hilfe irgendeines
geeigneten Gerätes in den Boden gebohrt worden ist. Mit dem Bezugszeichen 11 ist
ein rohrförmiger, elastischer Injektorstab bzw. Injektorpfahl bezeichnet, der in
das Bohrloch 10 abgesenkt worden ist und an der Bohrlochwandung dicht anliegt. Die
Länge des Pfahles 11 ist je nach der gewünschten Verdichtungstiefe gewählt, in welcher
die Injektion beginnen soll. Zum Zweck einer üblichen Pfahlgründung kann er beispielsweise
eine Länge von etwa 40 Fuß, das sind etwa 12 m, aufweisen. Der Durchmesser des Pfahles
kann je nach dem Verwendungszweck in weiten Grenzen liegen, als typischer Fall können
beispielsweise 10 Zoll, das sind etwa 25,4 cm abgegeben werden.
Eine
zentrale Bohrung 12 für die Materialzuführung erstreckt sich in Längsrichtung durch
den Pfahl 11, wobei ein oder mehrere Rückschlagventile 13 in der Bohrung angeordnet
sind, welche das fließfähige Injektionsmaterial in Richtung nach unten durchlassen.
Wie auf der Zeichnung dargestellt, besteht jedes Rückschlagventil aus einer Ventilkugel
14, die nach oben gegen einen Ventilsitz in Form eines Ringes 15 gepreßt werden
kann und durch eine geeignete Einrichtung in seiner Bewegung begrenzt ist, gemäß
der Darstellung auf der Zeichnung durch einen Kreuzstift 16, der die Ventilbuchse
17 in Querrichtung abschließt.
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Ein Einlaß 20 für das zuzuführende Material ist mit dem oberen Endeedes
Pfahles 11 verbunden, derart, daß er mit der Bohrung 12 in Berührung steht. Der
Einlaß 20 wird von einer geeigneten Quelle mit fließfähigem Material gespeist, beispielsweise
mit Hilfe einer Pumpe oder dergleichen.
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In der Nähe seines oberen Endes ist außen am Pfahl 11 ein Kolben 22
vorgesehen, der in einem Luftzylinder 23 arbeitet, dessen Bodenwandung 24 luftdicht
bei 25 abgedichtet auf dem PfahAl, diesen umgebend, gleitet. Der Kolben 22 liegt
bei 26 luftdicht am Zylinder 23 an. Der Zylinderraum 27 unterhalb des Kolbens 22
wird mit Druckluft gefüllt, und
zwar über den Lufteinlaß
28. Der im Hohlraum 27 aufrechterhaltene Luftdruck ist so bemessen, daß er als Luftfederung
für die Halterung des Pfahles 11 und mit dem Pfahl verbundene Hilfseinrichtungen
wirkt.
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Der Zylinder 23 ist mit zwei Augen 30 versehen, die über Hebelgestänge
31 an Armen einer Aufhängung 32 aufgehängt sind, die wiederum über ein Kabel 33
an einer nicht gezeichneten geeigneten Senk- und Hebevorrichtung befestigt ist,
wie sie in Verbindung mit Ladebäumen, Öltürmen, Kranen usw. verwendet werden.
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Ein Schwingungsgenerator 40 ist mit dem oberen Ende des Pfahles 11
starr gekoppelt. Der Generator 40 besteht aus zwei Teilen 40a und 40b, die durch
Bolzen 41 gegen entgegengesetzte Seiten des oberen Endes des Pfahles 11 gepreßt
sind. Diese beiden Teile 40a und 40b wirken durch das obere Ende des Pfahles 11
hindurch zusammen, so daß sie als ein einziger Schwingungsgenerator arbeiten. Die
Art bzw. der Aufbau des Schwingungsgenerators und seine Betriebsweise sind in der
eigenen älteren Anmeldung B 59 972 VIIIa/42s beschrieben. Jeder der Körper 40a und
40b besteht dabei aus einem Gehäuse mit zylindrischer Wandung 44, die innen eine
kreisförmige Umlaufbahn 45 bildet. Zwei Seitenplatten 48 liegen an entgegengesetzten
Seiten jeder Ringwand 44 an und bilden mit dem Ring 44
eine zylindrische
Kammer, in der ein im wesentlichen zylindrischer Unwuchtrotor 49 umläuft. Der Rotor
49 weist einen Durchmesser auf, der wesentlich kleiner ist als derjenige der Umlaufbahn
45 und rollt auf dieser in einer Planetenbahn ab, wobei er auf den Ring 44 eine
Zentrifugalkraft ausübt. Der Antrieb des Rotors 49 erfolgt mittels eines Druckluftstrahls,
der tangential bezüglich der Umlaufbahn durch eine Düsenbohrung 50 zugeführt wird,
die über eine Zuführung 51 mit Druckluft versorgt wird. Die Abluft entweicht über
Auslässe 54 in den Seitenwänden 48.
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Auf Fig. 1 ist angedeutet, daB die beiden Unwuchtrotoren in entgegengesetzter
Richtung umlaufen. Wie nachfolgend beschrieben, sollen die beiden Rotoren synchron
miteinander umlaufen, d. h., sie sollen sich stets an entsprechenden Punkten ihrer
Umlaufbahnen befinden. Somit bewegen sich die Rotoren gleichzeitig nach oben und
wieder nach unten, auf Grund ihrer entgegengesetzten Umlaufbewegung jedoch in seitlicher
Richtung immer entgegengesetzt. Demgemäß sind die vertikalen Komponenten der durch
die Rotoren auf das Generatorgehäuse und damit äuf den Pfahl 11 ausgeübten Kraft
zueinander in Phase und addieren sich, während die horizontalen Kraftkomponenten
gleich und entgegengerichtet sind, sich somit gegeneinander aufheben. Der die Rotoren
antreibende
Druck ist so bemessen, daß die Umlaufzahl pro Sekunde
der Rotoren auf ihrer Bahn sich im Gebiet der Resonanzfrequenz des Pfahles 11 befindet,
so daß im Pfahl stehende Längsschwingungen entstehen, üblicherweise Halbwellen.
Unter der Annahme der Erzeugung von Halbwellen zeichnet sich die stehende Welle
im Pfahl dadurch aus, daß sich die beiden Halbteile des Pfahls abwechselnd elastisch
ausdehnen und wieder zusammenziehen, wobei der Mittelpunkt des Pfahls einen Geschwindigkeitsknoten
der stehenden Welle darstellt, d. h. im wesentlichen in Ruhe bleibt, während die
beiden Pfahlenden die Geschwindigkeitsbäuche darstellen und somit in Längsrichtung
des Pfahls mit maximaler Amplitude schwingen. Der Pfahl führt somit Dehnungsschwingungen
in Längsrichtung aus.
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Bei Betriebsbeginn stehen die beiden Rotoren nur in ungefährer Phasenrelation.
Sehr bald jedoch stellt sich die Phasenrelation exakt ein, derart, daß sich die
Kräfte addieren, und zwar bei der vertikalen Bewegung in Längsrichtung des Pfahls.
Sobald dies der Fall ist, wird eine vertikale Schwingungskraft auf das Generatorgehäuse
und somit auf das obere Ende des Pfahles 11 übertragen, wobei die Frequenz sich
im Bereich der Grundresonanzfrequenz befindet. Der Pfahl beginnt zu schwingen, zunächst
kaum merklich und sich an die gewünschten
stehenden Wellen (Halbwellenschwingungen)
annähern. Hat dieser Vorgang eingesetzt, so wird der in seiner Resonanz schwingende
Pfahl die Neigung aufweisen, mit einer Frequenz zu schwingen, die etwas unterhalb
der Resonanzscheitelfrequenz des Pfahles liegt. Diese gesteuerte Schwingung des
Pfahls wirkt in Rückkopplung zurück auf die Rotoren und hält diese in der Schwingungsfrequenz
des Pfahles, wobei dann die beiden Rotoren genau und exakt synchronisiert sind.
Mit dem Fortschreiten der Synchronisation erreicht die Amplitude der stehenden Welle
schließlich ihr Maximum.
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Der Betrieb erfolgt auf folgende Weise: Das Erdloch 10 wird im Untergrund
unter Verwendung eines geeigneten Bohrgerätes hergestellt. Dann wird der Pfahl in
das Bohrloch abgesenkt, beispielsweise bis das Pfahlende sich einige Fuß (einen
Meter oder mehr) oberhalb des Bodens des Bohrloches 10 befindet, wie in Fig. 1 gezeigt
ist. Eine nicht gezeigte Pumpe, vorzugsweise eine kontinuierlich arbeitende Strömungspumpe,
ist an ihrer Einlaßseite mit einer Quelle für Zementbrei verbunden und mit ihrer
Auslaßseite mit dem Einlaß 20. Gleichzeitig wird Druckluft durch den Einlaß 51 in
den Schwingungsgenerator eingelassen, wodurch der Pfahl 11, wie bereits beschrieben,
zu stehenden Dehnungseigenschwingungen halber Wellenlänge erregt wird.
Die
Rückschlagventile 13 in der Bohrung 12 des schwingenden Pfahles 11 wirken dann als
Pumpe, welche den Zementbrei durch die Bohrung 12 hindurch nach unten befördern
und am unteren Ende des Pfahles 11 in das untere Ende des Erdlochs 10 abgeben. Diese
Pumpwirkung ist im USA-Patent 2 444 912 des Anmelders offenbart, mit dem einzigen
Unterschied, daß dort die Rückschlagventile sich nach oben öffnen und somit die
Flüssigkeit nach oben pumpen. Bei der vorliegenden Erfindung öffnen sich die Rückschlagventile
nach unten und pumpen somit in Richtung nach unten. Bei jeder Bewegung des Ventilsitzes
für die Ventilkugel nach oben wird unmittelbar oberhalb des Ventilsitzringes befindliches
Fluid verschoben und bewegt sich durch den Ring hindurch, und zwar als Folge der
augenblicklichen Saugwirkung durch den Ring von unterhalb des Ringes her entsprechend
der Bewegung des Ringes nach oben. Die Ventilkugel ist zu diesem Zeitpunkt vom Ventilsitz
abgehoben. In anderen Worten, ein unterhalb des Ringes bei Aufwärtsbewegung des
Ringes erzeugtes Vakuum wird mit der oberhalb des Ringes befindlichen und durch
den Ring hindurchtretenden Flüssigkeit gefüllt. Bei der Bewegung nach unten dagegen
bewegt sich der Ring mit einer Beschleunigung, die größer ist als die Erdanziehung,
wird durch die Ventilkugel abgeschlossen und die Flüssigkeit wird nach unten getrieben.
Es können nicht gezeichnete Federn verwendet werden, die als Vorspannung für die
Ventilkugeln in Richtung gegen
die Ventilsitze dienen.
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Der durch den Pfahl 11 hindurchgepumpte Zementbrei strömt in den Raum
10 unterhalb des Pfahles 1 und steigt in jedem noch so engen Zwischenraum zwischen
dem Pfahl und der. Wandung des Bohrloches hoch, wodurch dieser Zwischenraum gefüllt
wird. Die Teile des schwingenden Pfahles 11, die mit dem injizierten Körper 60 aus
Zementbrei und der Wandung des Bohrloches in Berührung stehen, senden hochfrequente,
im Schallwellenbereich liegende Schwingungen aus, die den Zementbrei durchdringen
und auch das umgebende Erdreich. Der Zementbrei weist eine Impedanz auf, die etwa
zwischen derjenigen des Pfahles und derjenigen des Erdreiches liegt, so daß der
Zementbrei eine Impedanzanpassung zwischen den beiden effektiven Schwingungsträgern
bewirkt.
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Der Zementbrei wird also mittels hochfrequenter Impulse in den Raum
10 injiziert. Diese Impulse und intermittfierenden Verdichtungen wirken zusammen
und üben "Schläge" gegen das umgebende Erdreich aus, mit dem Erfolg, daß unter Mithilfe
der vom Pfahl ausgesendeten und durch den Erdboden weitergetragenen hochfrequenten
Schwingungen das Erdreich fließfähig gemacht und verdichtet wird, wie bereits in
der Beschreibungseinleitung erwähnt worden ist. Zusätzlich bewirkt das Arbeiten
des unteren Endes des Pfahles in Art eines
Druckkolbens bei jeder
Bewegung nach unten eine Verdichtung des bereits im Bohrloch befindlichen Zementbreis,
der damit radial nach außen gegen die Wandung des Bohrloches gepreßt wird. Der Zementbrei
folgt dem verdichteten und sich zurückziehenden Erdreich, wodurch der Durchmesser
des injizierten Körpers 60 mit der Zeit den Durchmesser des ursprünglichen Bohrloches
übersteigt, und zwar in einem Ausmaß, das selbstverständlich von der ursprünglichen
Festigkeit des Untergrunds abhängt. Der fließfähig gemachte, zerkleinerte und verdichtete
Erdboden neigt dazu, wurzelartige Auswüchse des Zementbreies, wie sie bei 61 angedeutet
sind, aufzunehmen, welche nach Erhärtung des Zements als Verankerung des Einsatzkörpers
wirken.
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Es kann wünschenswert sein, einen Körper einzusetzen wie er auf Fig.
1 mit 60 bezeichnet ist, der sich also in einem gewissen Abstand oder in einer gewissen
Tiefe unterhalb der Erdoberfläche befindet. Nach einem anderen Erfindungsverfahren
jedoch wird der Körper 60 bis zur Erdoberfläche herauf aufgebaut, so daß ein Pfahl
entsteht. Dies wird dadurch erreicht, daß der Pfahl 11 unter weiterem Injizieren
von Zementbrei nach und nach aus dem Bohrloch herausgezogen wird, wobei das Herausziehen
des Injektionspfahles selbstverständlich so langsam erfolgen muß, daß die gewünschte
Bodenverdichtung erzielt wird. Würde der Pfahl zu schnell
herausgezogen,
so ergäbe sich offensichtlich lediglich der Effekt einer Füllung des Bohrlochs mit
Zementbrei. Dies kann für manche Anwendungszwecke der Erfindung zwar genügen, ein
wesentliches Merkmal der Erfindung besteht jedoch gerade in der Verdichtung des
Erdbodens und dem Einpressen des injizierten Materials in das Erdreich, was erfordert,
daß der Pfahl 11 langsam nach oben gezogen wird.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Erdloch
für den Injektorpfahl nicht vorgebohrt, sondern mit Hilfe des Injektorpfahles selbst
hergestellt. Dazu wird das untere Ende des Pfahles lediglich auf die Erdoberfläche
abgesenkt und der Schwingungsgenerator in Betrieb gesetzt, derart, daß der Pfahl
zu Dehnungseigenschwingungen erregt wird. Der Pfahl bohrt sich dann selbst infolge
der hochfrequenten stehenden Schwingungen in den Erdboden ein, wobei sich der untere
Halbteil des Pfahles abwechselnd elastisch verlängert und verkürzt, so daß das untere
Ende des Pfahles periodisch "Schläge" gegen das Erdreich ausführt. Ist der Pfahl
vollständig in das Erdreich eingesenkt, so wird er zuerst um ein kurzes Stück hochgezogen,
so daß ein Hohlraum unterhalb der Pfahlspitze entsteht, und dann das Schwingungs-Injektionsverfahren
wie oben beschrieben durchgeführt.
Die Erfindung wurde bisher anhand
einer Zementbrei-Injektion beschrieben. Selbstverständlich kann jedes der oben erwähnten
Materialien, sowie andere geeignete Materialien, in den Erdboden injiziert werden.
So wurde bereits lockerer bzw. unbefestigter Sand als Injektionsmaterial angeführt,
zum Zweck der Bildung eines Sandkörpers für die Bodenentwässerung. Der Sand kann
in feuchtem Zustand oder als Aufschlemmung injiziert werden. Es gibt jedoch auch
Sandarten, die bereits im trockenen Zustand stark fließfähig sind, und diese Sandarten
können dann trocken injiziert werden.
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Wenn Sand zum Zweck der Bodenentwässerung injiziert wird, wie beispielsweise
in Sumpfboden, so nimmt der injizierte Sandkörper von dem ihn umgebenden, feuchten
Erdreich Wasser auf, und dieses Wasser wird dann aus dem eingesetzten Sandkörper
herausgepumpt. .
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Die Fig. 4 bis 9 zeigen einige besonders zweckmäßige Ausführungsbeispiele
der Erfindung, die zwar grundsätzlich demjenigen nach den Fig. 1 bis 3 entsprechen,
jedoch zusätzliche Vorteile aufweisen. An dem aus Stahl oder einem anderen elastischen
Material bestehenden Injektorpfahl 75 ist durch Bolzen 76 der am Boden geflanschte
Gehäusekörper 77 eines Hochfrequenz-
Vibrations- bzw. Schwingungsgenerators
78 befestigt. Oben am Gehäusekörper 77 ist der Bodenflansch 79 eines aufrechtstehenden
Zylinders 80 befestigt, der von einer luftgefederten Hülse 81 umgeben ist. Das obere
Ende der Hülse 81 weist einen Innenflansch 82 auf, der oben am Zylinder 80 aufsitzt
und auf dem ein Außenflansch 83 eines Rückschlagventilgehäuses 84 aufsitzt. Die
Körper 80, 82, 83 sind mit Schrauben 85 miteinander verbunden. Die Hülse 81 weist
in der Mitte eine flanschartige Ausweitung auf, die obere und untere Anschlagschultern
87 und 88 bildet, und mit einem Ringflansch 89 versehen ist, an dem ein Druckluftkolben
90 aasgebolzt ist. Letzterer weist einen ringförmigen Rand 90a auf, der einen Kolbenring
91 trägt, der gleitbar an der inneren Oberfläche einer ringförmigen Wandung 92 anliegt,
die zwischen den entgegengesetzten Umfangsrändern der oberen und unteren Wandungen
93 bzw. 9 der Druckluftkammer eingesetzt ist. Die untere Wandung 94 der Druckkammer
weist einen Teil 94a auf, das druckdicht am Pfahl 81 gleitet, während die obere
Wandung 93 ein Teil 93a aufweist, das ebenfalls druckdicht am Pfahl 81 gleitet.
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Druckluft wird der als Luftfederung dienenden Kammer durch Einlässe
92a und 92b (Fig. 7) zugeführt, die an der Kammerseitenwand 92 bezüglich des normalen
Verschiebungsbereiches des Kolbens oben bzw. unten angeordnet sind, wie auf
der
Zeichnung dargestellt. Diese Einlaßöffnungen 92a, 92b werden über eine gemeinsame
Luftleitung 95 gespeist, die auf irgendeine geeignete Weise an der Wandung 92 befestigt
ist und ihrerseits über einen Lufteinlaß 95a, der mit dem Endnippel der Leitung
95 verbunden ist, gespeist wird. Luftauslässe 96 in der Wandung 92 steuern die Stellung
des Kolbens 90. Wenn sich in der Luftfederungskammer keine Druckluft befindet, so
werden der Kolben 90 und der Zylinder 81 sowie alle daran aufgehängten Teile aus
der gezeigten Stellung heraus abgesenkt, wobei dann die zylindrische Schulter 88
auf dem oberen Ende des Kammeranschlages 94a aufliegt. Wenn nun über die Einlässe
92a und 92b in die Kammerräume oberhalb und unterhalb des Kolbens 90 Druckluft eingeführt
wird, so wird der Druck unter dem Kolben ansteigen, während sich der Druck oberhalb
des Kolbens zuerst nicht wesentlich ändert, und zwar infolge der Entweichungsmöglichkeit
durch die Auslässe 96. Der Kolben 90 und die daran befestigten Teile werden durch
den Druck unterhalb des Kolbens so weit angehoben, bis der Kolbenring 91 die Auslässe
96 schließt. Daraufhin steigt auch der Druck oberhalb des Kolbens an, und zwar bis
der Kolben eine Gleichgewichtsstellung erreicht, wie sie auf der Zeichnung dargestellt
ist. Der Zylinder 81 und alle Teile darunter, welche ja die Teile des Vibrators
darstellen, sind somit federnd aufgehängt und können senkrechte Schwingungen
ausführen,
unabhängig von der Luftkammer sowie Teilen oberhalb dieser Luftkammer, an welchen
wiederum die Anlage aufgehängt ist.
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An den Anschlägen 93a der Luftfederung ist eine Glocke 100 befestigt,
die eine Bohrung 101 aufweist, welche den oberen Teil der Rückschlagventilglocke
84 mit Gleitverbindung aufnimmt, wobei Dichtungen 102 vorgesehen sind. Die Bohrung
101 wird von einer Bohrung 103 gekreuzt, die sich durch die Glocke 100 erstreckt
und mit deren entgegengesetzten Enden die oberen Enden von zwei Rohrleitungen 104
verbunden sind. Diese Rohre sind nach unten gebogen und führen zu Verbindungsstellen
mit den oberen Enden von Durchbohrungen 105, die sich durch eine Platte 106 erstrecken,
die einstöckig mit der oberen Wandung 93 der Luftfederungskammer ist. An die unteren
Enden der Durchbohrungen 105 sind Zuführungen 107 für das zuzuführende Material
angeschlossen.
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Der Pfahl 75 weist eine in Längsrichtung geführte Zuführungsbohrung
110 für das Injektionsmaterial auf, welche Bohrung sich nach oben in eine Bohrung
111 im Generatorgehäuse 77, eine Bohrung 112 im Zylinder 80 und die bereits erwähnte
Bohrung 101 in der Glocke 100 fortsetzt.
Das untere Ende des Pfahles
75 weist eine Gegenbohrung 1l3 auf, welche den Befestigungsflansch eines unteren
Rückschlagventiles 115 aufnimmt. Die Querwände der Rückschlagventilgehäuse 84 und
115 sind mit Durchlässen 116 versehen, welche durch Ventilkugeln 117 verschlossen
werden können. Stifte 118 erstrecken sich quer durch die Ventilgehäuse und dienen
zum Einschließen der Kugeln 117. Erforderlichenfalls können im Pfahl 75 zusätzliche
Kugelventile-vorgesehen sein.
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Das obere Ende der Glocke 100 ist mit einem Auge 119 versehen, mit
dessen Hilfe die ganze Vorrichtung an einer üblichen Heb- und Senkvorrichtung, die
auf der Zeichnung nicht dargestellt ist, aufgehängt werden kann.
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Der Vibrator 77 weist an entgegengesetzten Seiten der Bohrung 111
große Zylinderräume 120 auf, die parallele Horizontalachsen aufweisen, wobei jeder
Zylinderraum an jeder Seite von konzentrischen Bohrungen 121 geringeren Durchmessers
getroffen wird, die sich durch die Seitenwand des Körpers 77 hindurch ins Freie
öffnen. Durch Schrauben 124 befestigte Seitenwände 122 und 123 an den Seiten des
Gehäuses 77 weiser Einlaßbohrungen 121 auf und bilden die Seitenwände der Zylinderräume
.120, wie am besten aus Fig. 6 zu ersehen. Aus jeder Seitenwand 122 ragt ein Bolzen
bzw. eine Achse 126 hervor, und zwar kogxial mit dem Zylinderraum
120,
wobei die Achse 126 mit Paßsitz in eine Öffnung 127 an der entgegengesetzten Seitenwand
123 eingreift. Ein ringförmiger Unwuchtrotor 128 umschließt jede Achse 126, wobei
der Innendurchmesser des Rotors wesentlich größer ist als der Außendurchmesser der
Achse, wie auf der Zeichnung dargestellt ist.
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Die Unwuchtrotoren 128 werden pneumatisch in Bewegung versetzt, wie
nachfolgend beschrieben ist.
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An jeder der beiden Generatorseitenwände 122 ist eine Lufteinlaßkammer
136 vorgesehen, die eine halbrunde Seitenwand 137 aufweist, welche oben und unten
in vollrunde Wandteile@138 und 139 übergeht. Kreisrunde Öffnungen in letzteren sind
durch obere und untere Abdeckplatten 140 und 140a abgeschlossen und eine Buchse
141 ist in den Wandteil 139 eingesetzt. Ein Lufteinlaßrohr 142 ist mit einem Kolben
143 versehen, der innerhalb der runden Wandteile 138,und einem kleineren Kolben
144, der innerhalb der Buchse 141 gleitet. Das Rohr 142 weist Luftauslässe 145 zwischen
den Kolben 143 und 144 auf, sowie einen Lufteinlaßnippel 146, der mit einer Luftzuführung
146a verbunden ist. Die untere Abdeckplatte 140a weist eine Öffnung zum Einsetzen
eines Nippels 146 auf und eine Schulter, welche sich unterhalb
des
Kolbens 144 befindet. Der obere Kolben 143 weist einen Auslaß 147 auf, ebenso die
Wandteile 138 einen Auslaß 148. Wenn Druckluft über den Einlaß 146a und durch die
Öffnungen 145 in das Gehäuse 136 einströmt, so übt der Luftdruck auf die Kolbenkombination
eine Kraft nach oben aus, und zwar infolge der größeren Fläche des oberen Kolbens
143, wodurch die Kolben sich nach obenhin die Stellung von Fig. 8 bewegen. Zu diesem
Zeitpunkt kann die Luft über den Auslaß 147, den Zwischenraum oberhalb des Kolbens
144 und den Auslaß 148 entweichen, wodurch das Anheben der Kolben ermöglicht wird.
Wenn jedoch der Kolben 143 den Auslaß 148 schließt, wird die Luft im Raum oberhalb
des Kolbens 148 zusammengepreßt. Der Einlaß bzw. das Einlaßrohr 142 sind somit luftgefedert
und nicht der Vibration der übrigen Anordnung ausgesetzt.
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Die auf diese Weise in das Innere des Gehäuses 136 eingeführte Luft
strömt über den Durchlaß 149 in das Gehäuse 120, wo sie von einem Ringkanal 150
aufgenommen wird, der in die Seitenfläche des Unwuchtrotors 128 eingeschnitten ist,
fließt dann durch eine Vielzahl von Nuten 152 dieser Seitenwand, welche sich vom
Kanal 150 aus über den äußeren Umfang des Rotors 128 erstrecken.
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Die Nuten 152 sind bezüglich des Kanals 150 tangential in den Rotor
eingeschnitten, so daß vom Umfang des
Rotors Luftströme abgehen,
deren Geschwindigkeitskomponenten tangential zum Rotor verlaufen. Der Unwuchtrotor
wird demgemäß so angetrieben, daß er auf dem Achsbolzen 126 taumelt, d. h. auf letzterem
in einer Rollbewegung umläuft. Da der Unwuchtrotor zum Achsbolzen ein wesentliches
Spiel aufweist, ist sein Schwerkraftszentrum ständig exzentrisch bezüglich der Achse,
aus welcher Unwucht sich eine Zentrifugalkraft auf die Achse ergibt.
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Die Nuten 152 der beiden Unwuchtrotoren 128 sind mit entgegengesetzter
Winkellage eingeschnitten, so daß die Rotoren in Gegenrichtung umlaufen. Die Druckluft,
welche die Rotoren antreibt, ist so bemessen, daß die Rotoren mit der Resonanzfrequenz
des Pfahles umlaufen. Die Rotoren synchronisieren sich selbst und wirken so zusammen,
daß sie im Pfahl eine stehende Dehnungslängsschwingung hervorrufen, in gleicher
Weise, wie bereits bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 ausführlich
beschrieben. Die Luft wird aus dem Gehäuse 120 durch die Ausläße 153 wieder entlassen.
Die Ausführungsform nach den Fig. 4 bis 9 weist den weiteren Vorteil auf, daß sie
auch in Verbindung mit der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 verwendet werden
kann. Eine Vielzahl von Bohrungen oder Nuten 160 sind in
den Körper
des Pfahles 75 eingeformt, im dargestellten Fall in seinen Umfang, die am umteren
Ende des Pfahles münden. Diese Bohrungen oder Nuten nehmen aus Stahl hergestellte
Verstärkungsstäbe 161 auf, die mit dem Pfahl eingesenkt und im Bohrloch zurückgelassen
werden, wenn der Pfahl zurückgezogen wird, so daß sie in Art einer Armierung den
Zement, den Beton oder irgendeinen anderen im Bohrloch geformten Körper verstärken.
Wie gezeigt, sind die Stäbe-161 unten durch einen Flanschring 162 verbunden, an
welchen sie angeschweißt sind. Der Ring bzw. die Ringanordnung senkt sich leicht
mit dem Pfahl in das Bohrloch ab, bleibt jedoch in diesem stecken und hält die Stäbe
in der gewünschten Stellung, wenn der Pfahl wieder herausgezogen wird.
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Es kann wünschenswert sein, den Pfahl in Richtung nach unten vorzubelasten,
insbesondere dann, wenn der Pfahl selbst das Erdloch herstellen soll. In diesem
Fall können statische Belastungen, wie sie in gestrichelten Linien bei M angedeutet
sind, an den Platten 106 aufgebracht werden.
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Auf den Fig. 10 und 11 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung
dargestellt. Das Bezugszeichen 210 bezeichnet ein Erdloch. In diesem Loch hängt
eine elastische Wellen übertragende Säule 211, deren unteres Ende 211a als
Ausstrahler
für elastische Schwingungen hoher Frequenz dient. Bei dieser Ausführungsform der
Erfindung wird die Säule 211 durch eine Reihe von sehr schweren Rohren 212 gebildet,
beispielsweise aus Bohrrohren für Ölbohrungen, deren Enden bei-212a mittels üblicher
Verbindung aneinandergekoppelt sind, wobei ein langer Pfahl oder Stab 13 aus schwingungsfähigem
Stahl mit dem unteren Ende der Rohrreihe 212 verbunden ist. Der Pfahl kann eine
Länge von etwa 80 Fuß (etwa 24m) und einen Durchmesser von etwa 8 Zoll (etwa 20
cm) bei einem Bohrlochdurchmesser von 8 5/8 Zoll (etwa 22 cm) aufweisen. Das untere
Ende 211a des Pfahles 213 weist einen Schwingungssender bzw. ein Kopplungselement
auf. Um die Kopplung zu verbessern und eine Pumpwirkung für die Materialien zu erreichen,
kann eine übliche Abstreifglocke 214 am unteren Ende des Pfahles 213 (gemäß Fig.
11) befestigt sein. Diese Glocke, deren innerer Teil durch Drahtwicklungen 215 verstärkt
ist, wird am Pfahl 213 zwischen einer Mutter 216 und einer Muffe 217 befestigt,
wobei der flexible Randteil der Glocke an der Wandung der Erdbohrung gleitend anliegt.
Die Arbeitsweise dieser Glocke wird nachfolgend näher erläutert.
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Die Säule bzw. Rohrkette 211 wird im Bohrloch von einer oberhalb der
Erdbodenoberfläche befindlichen Anordnung gehalten, die einen Vibrator bzw. hochfrequenten
Schwingungsgenerator
enthält. Ein Balken 220 ist an einem Ende bei 221 schwenkbar an einem geeigneten
Träger 222 angelenkt, der von einer auf dem Erdboden aufliegenden Tragplatte 223
absteht, die rund um den Säulenkopf 239 angeordnet ist. Der mittlere Teil des Balkens
220 weist eine Durchbohrung 224 auf, durch welche die Säule bzw. Rohrkette hindurchgeführt
ist, wobei eine entfernbare Klemmvorrichtung 225 vorgesehen ist, die den Balken
mit der Rohrkette starr verbindet. Diese Klemmvorrichtung 225, deren Einzelteile
nicht gezeichnet sind, da sie in üblicher Weise aufgebaut ist, kann beispielsweise
eine Abfanghülse mit Reibbacken zur festen Verklemmung der Rohrkette aufweisen oder
auch einen geschlitzten Kragen, der fest um die Rohrkette herumgelegt werden kann,
oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung zur sicheren Befestigung der Rohrkette
am Balken. Eine lösbare Halterung für die Klemmvorrichtung am Balken ist mit 226
bezeichnet.
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Der Balken trägt an seinem freien Ende einen Vibrator bzw. hochfrequenten
Schwingungserzeuger 230, der in senkrechter Richtung Auf- und Abschwingungen hervorruft.
Der Generator, der Balken und die Säule bzw. Rohrkette sind durch Druckfedern 231
gehaltert, die sich unter dem freien Ende des Balkens befinden und an der Plattform
223
abgestützt sind. Der Generator 230 enthält beispielsweise zwei
Unwuchtkörper 232 auf parallelen Achsen, die durch ein Getriebe 233 miteinander
gekoppelt sind, wobei eine der Achsen durch einen Verbrennungskraftmotor 235 angetrieben
wird. Der Motor ist vorzugsweise drehmomentabhängig, beispielsweise ein üblicher
Vergasertyp einer Verbrennungskraftmaschine. Die beiden Unwuchtkörper sind so angeordnet,
daß sie sich gemeinsam nach oben bzw. unten bewegen, derart, daß die erzeugten vertikalen
Unwuchtkräfte einander addieren und auf den Balken 220 übertragen werden, wodurch
dieser in Vibration gerät und seinerseits eine vertikale Hin- und Herbewegung. auf
das obere Ende der Säule 211 überträgt. Da sich die Unwuchtrotoren in entgegengesetzter
Richtung drehen, werden die horizontalen Kraftkomponenten gegeneinander aufgehoben.
Auf Grund der abwechselnden Krafteinwirkung in vertikaler Richtung auf das obere
Ende der Säule 211 sendet diese elastische Dehnungsschwingungen (Ausdehnungen und
Zusammenziehungen) in der Säule nach unten zum unteren Säulenende, wo die Schwingungen
reflektiert und zurück zum Säulenkopf gesendet werden. Auf diese Weise entstehen
in der Säule stehende Wellen. Wenn die Frequenz dieser Schwingungen derart ist,
daß die zurück an den Säulenkopf reflektierten Wellen in Phase sind mit neu ankommenden
Schwingungen gleicher Art,
die sich in der Säule nach unten ausbreiten,
so entstehen stehende Resonanzschwingungen. In idealisierter Weise ist dieses Schwingungssystem
auf Fig. 10 angedeutet, wobei eine stehende Resonanzschwingung W seitlich neben
der Säule auf die übliche Weise schematisch dargestellt ist. Mit a ist in diesem
Diagramm die Schwingungsamplitude dargestellt, die sich entlang der Säule verändert.
Die Knoten der stehenden Welle, in welchen die Amplitude ihr Minimum aufweist bzw.
Null ist, sind mit N bezeichnet. Die Geschwindigkeitsbäuche, an denen die Schwingungsamplitude
ihr Maximum erreicht, sind mi-t dem Buchstaben V bezeichnet. Selbstverständlich
ist die Entfernung zwischen einander folgenden Geschwindig-
| keitsbäuchen gleicifier halben Längenwelle des Schwingungs- |
systems in der Säule. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß die Geschwindigkeitsbäuche
V in der Rohrkette weiter auseinander liegen als im massiven Pfahl bzw. Stab 213.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Säule einen gleichmäßigen
Querschnitt von einem zum anderen Ende aufweist, sind dagegen die Geschwindigkeitsbäuche
selbstverständlich in gleichem Abstand voneinander über die ganze Länge der Säule
verteilt. 4ei dem dargestellten System schwingt der Pfahl 213 in Halbwellenresonanz
seiner Dehnungseigenschwingung. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn der Schwingungsgenerator
durch den Motor 235 mit einer Frequenz angetrieben
wird, die der
Grundresonanzfrequenz des Pfahles 213, gegeben durch dessen Länge und Querschnitt,
entspricht. Im Betrieb wird einfach der Gashebel des Motors so eingestellt, daß
Resonanzschwingung auftritt, was sich dem den
Motor Bedienenden durch eine
hohe Schwingungsamplitude anzeigt. Es ist offensichtlich, daß es für eine stehende
Resonanz-Halbwellenschwingung im Pfahl 213 nicht wesentlich ist, daß über den gesamten
restlichen Teil der schwingenden Säule sich eine stehende Resonanzschwingung aufbaut.
Die Schwingung, bestehend aus abwechselnd Kompressionsschwingungen und Zugschwingungen,
wird durch die Rohrleitung nach unten eine alternierende Kraft auf das obere Ende
des Pfahles 213 ausüben und den letzteren in Resonanzschwingung seiner Dehnungseigenschwingungen
versetzen, wenn mit der Resonanzfrequenz des Pfahles 213 gearbeitet wird.
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Ein großer Teil der Schwingungsenergie wird in der Säule 211 gespeichert,
ob nun in dieser stehende Resonanzschwingungen auftreten oder nicht. Selbstverständlich
ist jedoch die Schwingungsamplitude im Gebiet der Schwingungsbäuche stark vergrößert,
we ~i mit stehender Resonanzschwingung gearbeitet wird,. und es ist irr, allgemei4en
wünschenswert, daß bei Anwendung des dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung
einschließlich des Pfahles 213 eine
Betriebsfrequenz verwendet
wird, die etwa der Resonanzfrequenz des Pfahles 213 entspricht bzw. innerhalb
des Resonanzbereiches liegt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die gesamte Säule
im Bereich stehender Resonanzschwingungen arbeitet, wie es auf Fig. 10 dargestellt
ist, aber eine derart ideale Betriebsbedingung ist nicht immer- unbedingt erforderlich.
Im Fall der Verwendung einer Säule oder eines Pfahles mit über die ganze Länge gleichen
Querschnitt bereitet es jedoch keinerlei Schwierigkeiten, eine stehende Resonanzschwingung
über die ganze Säulenlänge zu erhalten, und zwar durch geeignetes Einstellen der
Betriebsfrequenz des Generators, wobei es sehr einfach ist, die Betriebsfrequenz
jederzeit derart einzustellen, wie auch die Länge der Säule bzw. des Pfahles sei.
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Das zu injizierende Material, beispielsweise Flüssigkeit enthaltender
loser Sand oder frisch angemischter Beton usw.,wird über eine Rohrleitung 233 zugeführt,
die an den Säulenkopf 239 angeschlossen ist, und dann in dem Kreisring nach
unten geschickt wird, der einerseits durch die Schwingungssäule und andererseits
durch die Wandung der Bohrung 210 begrenzt ist. I-m Bereich des einen größeren Durchmesser
aufweisenden Pfahles 213 befindet sich das Ma=
terial in Berührung mit dem
schwingenden Pfahl. Eine Zu-
Führungspumpe, wie sie bei P gezeichnet
ist, ermöglicht erforderlichenfalls einen Betrieb bei einem Druck oberhalb des hydrostatischen
Druckes. Unter der Annahme, daß der Pfahl 213 mit stehenden Halbwellen schwingt,
bewegen sich die beiden Halblängen des Pfahles 213 abwechselnd in Richtung einer
Zusammenziehung bzw. einer Ausdehnung, vorausgesetzt der Betrieb bei Resonanzfrequenz.
Es ist offensichtlich, daß das untere, Schwingungen aussendende Ende 211a des Pfahles
sich unter diesen Bedingungen innerhalb eines relativ kleinen Bereiches bewegt,
jedoch mit großer Kraft und deshalb mit großer Ausgangsimpedanz. Allgemeim gesprochen
wird bei jeder Art von elastischer Längsdeformation infolge von Schwingungen der
Säule deren unteres Ende 211a mit einer relativ kleinen Verschiebungsdistanz schwingen,
wodurch die gewünschte hohe Ausgangsimpedanz erreicht wird.
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Die biegsame Glocke bzw. der biegsame Kragen 214 spreizt sich
bei jeder Abwärtsbewegung des schwingenden Pfahles 213 abdichtend mit der Wandung
des Bohrloches und verhindert somit einen Durchgang des Materials C nach unten.
Dadurch daß der Durchgangsweg zum Bohrloch verschlo$se @"..: wird, verbessert
sich die akustische Kopplung bezüglich des Materials C unterhalb der Glocke. Das
Material C wird bei
jeder Bewegung nach unten durch die Glocke
nach unten gepumpt bzw. gepreßt. Bei jeder Schwingung nach oben dagegen zieht sich
die Glocke zusammen und läßt einen Teil des Materials C zwischen ihrem Rand und
der Wandung des Bohrloches durch. Dieses Material wird beim nachfolgenden Schwingungsvorgang
wieder nach unten gepumpt. Nach Auffüllen des Hohlraums unterhalb des Pfahles 213
mit Material C werden hochfrequente Schwingungen vom Pfahl durch das Material C
hindurch auf das umgebende Erdreich übertragen, in welchem sie sich weiter fortpflanzen.
Das Erdreich wird dadurch in einen fließfähigen Zustand versetzt und verdichtet,
sowie in wesentlichem Ausmaß von dem injizierten Material durchsetzt, beispielsweise
frisch gemischtem Beton.
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Der sich vollständig oberhalb der Erdoberfläche befindende Generator
230 kann selbstverständlich so ausgebildet sein, daß er eine große alternierende
Ausgangsleistung aufweist und es ist ein Vorteil der exzentrischen Unwuchtkörper
232, da.ß sie eine hohe Unwuchtkraft hervorrufen, so daß hochenergetische Schwingungen
in der Säule aufrechterhalten werden können. Diese Säule ist außerdem relativ schwer
ausgelegt und weist eine hohe Zugfestigkeitsgrenze auf, so daß sie Schwingungsamplituden
ausgesetzt werden kann, die im Boden zu Schwingungen solcher Spannungs-bzw.
Zugkraft
führen, daß der Widerstand des Bodens gegen das Eindringen des injizierten Materials
überwunden wird.
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Der Körper aus injiziertem Material (feuchtem Beton) im Bohrloch befindet
sich in Berührung mit der Schwingungen aussendenden Oberfläche 211a des unteren
Endes der Säule und steht unter hohem hydrostatischen Druck. Die in das Kopplungsmaterial
ausgesendeten und durch dieses hindurch übertragenen Druckwellen werden dem üblichen
hydrostatischen Druck überlagert. Da der hydrostatische Druck relativ hoch ist,
besitzen auch die Amplituden der hochfrequenten, durch das Material in die Bohrlochwandung
übertragenen Schwingungen einen relativ hohen Wert. Außerdem ist die Impedanz des
Kopplungsmaterials ein wesentlicher Faktor. Bei Verwendung von Materialien, wie
beispielsweise Beton, ist deren akustische Impedanz kleiner als die Ausgangsimpedanz
des Schwingungssenders oder die Impedanz des Erdbodens selbst, liegt jedoch trotzdem
relativ hoch. Darüber hinaus wird die Impedanz des Materials auf Grund des hohen
hydrostatischen Druckes vergrößert, da der hydrostatische Druck die Dichte deg Materials
erhöht. Weiter kann die Impedanz des Materials dadurch gesteigert werden, daß ein
relativ großer Anteil an granuliertem Material, beispielsweise Sand, verwendet wird.
Unter
den beschriebenen Bedingungen wird eine hochfrequente Schwingung hoher Energie in
dem Erdreich erzeugt, wobei die Schwingungsamplituden die Dehnungsgrenze des Erdreichs
überschreiten, d. h. Gesteinsformationen werden schnell gelockert. Das erwünschte
Eindringen des Injektionsmaterials erfolgt unter diesen Bedi
@' wen sehr schnell.
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Auf Grund der hochenergetischen Hochfrequenzschwingungen,
die durch das flüssige Injektionsmaterial über-
tragen werden,
sind Flüssigkeits-Hohlraumbildungen und andere
nichtlineare Wanderwelleneffekte
oder asymmetrische Wellen-
effekte möglich, einschließlich Vellenfront-Stoßwellen.
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Diese Effekte führen zu besonderen Wellenspitzen,
wodurch die
Druokamplitude entsprechend der Zerreißgrenze des Erdreichs
periodisch plötzlich um einen großen Betrag überschritten
werden
kann.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Systems
besteht darin, daß sein Betrieb unter der Erde durch einfaches
Beobachten des Schwingungsverhaltens des oberhalb des Erdbodens
befindlichen Teils der Rohrkette, des schwingenden Balkens und
des Schwingungsgenerators überprüft wer-
den kann. Im
Resonanzfall werden diese Teile mit maximaler Amplitude schwingen,
was leicht beobachtbar ist. Wenn das
System
belastet wird, d. h. mit dem Erdreich gekoppelt ist und auf unzerbrochenes Erdreich
einwirkt, arbeitet es mit relativ hohem Gütewert "Q". D. h. die Energiespeicherung
pro Halbperiode ist groß bezüglich der Energieabgabe pro Halbperiode. Das System
ist somit einer exakten Anpassung fähig und empfindlich bezüglich der Umdrehungszahl
des Antriebsmotors. Wenn das Injektionsmaterial in das Erdreich eindringt, tritt
eine hohe Energieabgabe infolge Reibung auf und der Gütewert "Q" des Systems fällt
stark ab. Die zwei wesentlichsten Beobachtungsmerkmale an der Erdbodenoberfläche
dafür sind, daß die Schwingungsamplitude abfällt und das System weniger empfindlich
auf die Geschwindigkeit der Antriebsmaschine anspricht, da der Anpassungsbereich
beträchtlich breiter wird.
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Beim Injizieren eines vorgegebenen Bereiches von beträchtlicher Abmessung
in vertikaler Richtung kann die Rohrkette unter Verwendung üblicher Krananlagen
progressiv gehoben werden, wobei dann die einzelnen Rohrteile nacheinander entfernt
werden. Wird dieses Verfahren über ein beträchtliches vertikales Intervall durchgeführt,
so soll darauf geachtet werden, daß die Abstimmung der Generatorfrequenz auf die
erwünschte Resonanzfrequenz erhalten bleibt. Dies kann durch Änderung der Drehzahl
des Antriebsmotors
erfolgen. Die drehmomentabhängige Charakteristik
eines Vergasermotors neigt jedoch von sich aus dazu, diese Regulierung automatisch
vorzunehmen. Üblicherweise ändert der Motor bei konstanter Gaszuführung seine Geschwindigkeit
in Abhängigkeit von dem abgenommenen Drehmoment, d. h. vom Drehmoment der Belastung.
Wenn der Motor eine Belastung aufweist, die aus einem in Resonanz schwingenden Körper
besteht, so wird bei Resonanzfrequenz ein vergrößertes Drehmoment auftreten, welches
den Motor in einem entsprechenden Geschwindigkeitsbereich festhält. Wenn nun die
Resonanzfrequenz abfällt, so befindet sich das Drehmomentmaximum bei einer niedrigeren
Umdrehungszahl des Motors, und der Motor dreht sich deshalb von sich aus langsamer.
Wenn ein sehr großer Pfahl 213 verwendet wird, wie auf der Zeichnung dargestellt,
und durch in der Rohrleitung 212 nach unten wandernde Wellen zu seinen Resonanzeigenschwingungen
erregt wird, so ist im allgemeinen eine Nacheinstellung der Frequenz, wenn im Körper
213 der Resonanzfall einmal eingetreten ist, nicht erforderlich. Wenn eine gleichmäßige
Schwingungssäule verwendet wird und es erwünscht ist, in dieser eine stehende Resonanzwelle
zu erzielen, so wird jedoch bei Verlängerung der Säule die Frequenz des Generators
zu ändern sein, und zwar durch Ändern der Umdrehungszahl des Motors 235, so daß
auch dann der Resonanzfall beibehalten wird. Bei Verwendung eines drehmomentabhängigen
Motors wird dies automatisch der Fall sein.
In manchen Fällen wird
es erwünscht sein, daß keine Regulierung der Umdrehungszahl des Motors vorgenommen
wird bzw. zumindest nicht in großem Umfang. Da jedoch die geänderte Länge meist
nur einen geringen Prozentsatz der Gesamtlänge ausmacht, wird der Betrieb nur in
geringem Maß von der Amplitude der . Resonanzkurve abhängen. Wenn es auch in den
meisten Fällen erwünscht ist, mit Resonanz zu arbeiten und der Betrieb mit Resonanz
den besten Nutzfaktor ergibt, so ist es doch nicht immer absolut wesentlich für
einen erfolgreichen Betrieb, den Resonanzfall exakt einzuhalten und in vielen Fällen
kann es vorkommen, daß bei Betrieb mit fester Frequenz und erreichter Resonanz bei
Verkürzung oder Verlängerung der Schwingungssäule, so daß die Resonanzfrequenz der
Säule im ganzen geändert wird, das System trotzdem noch erfolgreich arbeitet, ohne
daß eine Frequenznachstellung erfolgt.
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Bei Absenken des Systems in relativ große Tiefe und bei entsprechend
niedriger Grundresonanzfrequenz ist es oft zweckmäßig, die Antriebsmaschine auf
eine höhere Umdrehungszahl zu bringen. In diesem Fall kann mit einer höheren Harmonischen
der Resonanzfrequenz gearbeitet werden.
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Es soll nochmals darauf hingewiesen werden, daß das erfindungsgemäße
Verfahren der Erzeugung stehender Wellen
von Vibrationsschwingungen
in einer Säule oder einem Pfahl sich grundlegend von üblichen Schwingungs- bzw.
Vibrationsverfahren unterscheidet.