DE19942016B4

DE19942016B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Bodensäule aus tragfähigem körnigem Füllmaterial

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Publication number: DE19942016B4
Application number: DE1999142016
Authority: DE
Original assignee: FRANKI GRUNDBAU GmbH
Current assignee: FRANKI GRUNDBAU GMBH, 21220 SEEVETAL, DE
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2019-09-04
Also published as: DE19942016A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bodensäule aus tragfähigem körnigen Füllmaterial zur Abtragung von Lasten, bei dem ein Verdrängerrohr in das Erdreich eingetrieben, mit Füllmaterial befüllt und anschließend durch Ziehen des Verdrängerrohres das Füllmaterial durch die Rohröffnung gegen die Wandung der im Erdreich gebildeten Ausnehmung gerichtet entleert wird.

Description

Zur Stabilisierung des Bodenuntergrundes und zur Abtragung von Bauwerks- und Verkehrslasten ist es bekannt, in einem vorgegebenen Bereich an mehreren Stellen im Erdreich eine bohrlochartige Ausnehmung mit Hilfe eines Verdrängerrohres zu schaffen, das so weit in das Erdreich eingetrieben wird, bis eine tragfähige Bodenschicht erreicht ist. In das Verdrängerrohr wird dann ein tragfähiges, kornabgestuftes Füllmaterial, wie Kies, Sand, Gestein, Brechkorn oder dergl. mit oder ohne Bindemittel eingeführt. Anschließend wird das Verdrängerrohr schrittweise gezogen, so daß das Füllmaterial aus dem Verdrängerrohr in die Ausnehmung übertreten kann. Durch wiederholtes Absenken des Verdrängerrohres unter Krafteinwirkung kann das in die Ausnehmung übergetretene Füllmaterial verdichtet werden. Ein Problem bei dieser Verfahrensweise entsteht dadurch, daß das Füllmaterial beim Ziehen aus dem Verdrängerrohr unter Bildung eines Schüttkegels in die Ausnehmung übertritt, so daß insbesondere bei fließfähigen Bodenschichten das umliegende Erdreich in den bestehenden, wenn auch geringen Freiraum eintritt und so die Packungsdichte der Bodensäule in diesem Bereich mindert.

DE 32 349 18 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Ausbilden von Sandpfählen zwecks kontrollierter Verfestigung von weichem Grund, mit einem in Grund eintreibbaren Rohr, über das in den Grund Sand eingebracht wird, einem am unteren Ende des Rohres angeordnetes Sandaustrag- und Verdichtungsteil zum Austragen des Sandes aus dem Rohr und zum Verdichten des Sandes, einem hydraulischen Zylinder mit einem Kolben zum Bewegen des Sandaustrag- und Verdichtungsteils in lotrechte Richtung, einer Detektoreinrichtung zum Erfassen der Arbeitsstrecke des Kolbens durch Ermittlung der Durchflussmenge des dem hydraulischen Zylinder zugeführten Fluids, einem Sensor zum Erfassen des Druckes des Fluids, wenn der Absatzhub des Kolbens einen vorbestimmten Wert erreicht hat, einen Vergleicher zum Vergleichen der anhand des Fluiddruckes errechneten, von dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil aufgebrachten Schubkraft mit einem vorbestimmten Wert, und einer Einrichtung zum Ändern des Durchmessers und/oder der Festigkeit der Sandpfähle entsprechend dem Vergleichsergebnis.

DE 1 863 183 U offenbart eine Vorrichtung zum Herstellen eines Ortpfahles aus Sand, wobei diese Vorrichtung ein Rohr aufweist, an dessen unterem Ende zwei diametral angeordnete keilförmige Einschnitte vorgesehen sind, in die ein Leitkeil passt, der mit dem Rohr durch Schweißen verbunden ist. An dem Leitkeil sind zwei Lageraugen angeschweißt, die sich seitlich an einem Widerlagerabschnitt des Lagerkeiles abstützen. Die Lageraugen sind ebenfalls durch Schweißen mit dem unteren Ende des Rohres verbunden. Die Außenabschnitte des Leitkeils und der Lageraugen sind dem Außendurchmesser des Rohres entsprechend abgerundet. Durch die Lageraugen ist eine Achse hindurchgesteckt, auf welcher zwei Klappen gelagert sind. Die Lagerabschnitte der beiden Klappen sind zinnenartig ausgebildet, wobei Zinnen der einen Klappe in Scharten der anderen Klappe eingreifen und umgekehrt. Die Klappe ist mit Hilfe eines Stiftes mit der Achse fest verbunden. Aufgrund dieser Verbindung ist die Achse gegen seitliches Heraustreten aus den Lageraugen gesichert. Mit dem Gegenstand der DE 1 863 183 U ist es möglich, einen Ortpfahl aus Sand in einfacher und billiger Weise herzustellen. Ein günstiges Ausfließen des Sandes wird dadurch erreicht, dass in einer sich quer über den Durchmesser des Rohres erstreckenden Achse je etwa dem halben Durchmesser des Rohres entsprechende Klappen vorgesehen sind, deren Lagerabschnitte mit Spiel ineinandergreifen. Durch Anwendung von zwei Klappen ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des Sandes beim Ziehen des Rohres.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, wobei hier insbesondere eine Verbesserung bei einer Krafteinwirkung während des Verdichtungsvorganges wünschenswert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung einer Bodensäule aus tragfähigem körnigem Füllmaterial für die Abtragung von Lasten mit einem in das Erdreich eintreibbaren und mit Füllmaterial befüllbaren Verdrängerrohr, das im Bereich seiner Rohröffnung mit einem im Rohrinnenraum und axial mit Abstand zum freien Rand der Rohröffnung zurückversetzt angeordneten als Tragachse ausgebildeten Leitmittel versehen ist, wobei das Leitmittel eine Klappenanordnung aufweist, die zur Rohrachse abschwenkbar ausgebildet ist und oberhalb der Tragachse ein fest mit dem Ver drängerrohr verbundener Stützsteg angeordnet ist, der jeweils zwischen den Scharnierteilen der Klappen liegende Ansätze aufweist. Durch eine gezielte Führung des austretenden Füllmaterialstromes gegen die Wandung des Erdreichs wird diese unmittelbar abgestützt und ein Eindringen von Erdreich in das Füllmaterial praktisch vermieden.

Durch die Anordnung des Leitmittels im Rohrinnern weist das Verdrängerrohr eine glatte Außenfläche auf, so daß sowohl beim Eintreiben, als auch beim Ziehen und beim verdichtenden Absenker der Reibwiderstand gering gehalten werden kann.

Die Anordnung des Leitmittels axial mit Abstand am freien Rand der Rohröffnung erlaubt grundsätzlich einfach aufgebaute Leitmittel, beispielsweise in Form eines zentralen gegen die Durchlaufrichtung des Füllmaterials konisch zulaufenden Einsatzes, der zum einen beim Ziehen den Übertritt des Füllmaterials in die Ausnehmung unmittelbar im Bereich der Wandung der Ausnehmung bewirkt und der zum anderen beim verdichtenden Absenken des Verdrängerrohres eine entsprechende Gegendruckfläche bildet, die ein Zurückschieben des Füllmaterials in das Verdrängerrohr verhindert und eine ausreichende Kraftwirkung auf die in der Ausnehmung befindliche Füllmaterialmenge erlaubt.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Leitmittel durch einen im Bereich der Rohröffnung angeordneten Quersteg gebildet wird. Die Anordnung eines derartigen Quersteges erlaubt eine sehr stabile Verbindung zwischen Verdrängerrohr und Leitmittel, das auch die Übertragung großer Verdichtungskräfte erlaubt. Zum anderen wird durch den Quersteg ein freier "Abfluß" des im Verdrängerrohr vorhandenen Füllmaterials beim Ziehen nicht behindert.

Aus DE-U-296 11 427 ist ein rohrförmiger Verdrängerkörper zum Einbringen von Füllmaterial in das Erdreich bekannt, dessen Ende zweiseitig schräg und damit schneidenförmig zulaufend angeschnitten und mit zwei an der Außenwandung angelenkten, zur Rohrachse hin in Schließstellung gegeneinander schwenkbaren Klappen versehen ist. Bei geschlossenen Klappen bilden diese eine Schneide. Beim Ziehen des Verdrängerrohres sollen die Klappen nach außen schwenken, so daß das Füllmaterial aus dem Verdrängerrohr in die im Erdreich erzeugte Ausnehmung übertreten kann. Da die Klappen sich schon nach einer gerin-gen Schwenkbewegung an der Wandung der Ausnehmung anlegen und somit nicht der volle Rohrquerschnitt freigegeben wird, tritt das Füllmaterial auch nur im Bereich der Rohrachse aus und bildet einen Schnittsattel. Hinter den Klappen bleibt ein Freiraum, in den das umgebende Erdreich eindringen kann.

Die Klappenanordnung ist beim Ziehen des Verdrängerrohres zur Rohrachse öffnend abschwenkbar ausgebildet.

Auch bei einem derart ausgebildeten Leitmittel ist gewährleistet, daß beim Ziehen das Füllmaterial aus der Rohröffnung gegen die Wandung der Ausnehmung im Erdreich gerichtet, ohne Bildung eines Freiraums austritt und diese unmittelbar am Rohrende abstützt. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn die Klappenanordnung mit Anschlagelementen zur Begrenzung der Öffnungsbewegung versehen ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Tragachse mit der Wandung des Verdrängerrohrs verbunden ist, wobei an der Tragachse zwei gegenläufig zur Rohrachse abschwenkbare Klappen angeordnet sind. Vorteilhaft ist ferner, daß zur Abstützung oberhalb der Tragachse ein fest mit dem Verdrängerrohr verbundener Stützsteg angeordnet ist. Durch diesen Stützsteg kann die mechanische Belastung der Tragachse beim verdichtenden Absenken aufgenommen werden, was darüber hinaus die Möglichkeit bietet, den Stützsteg fest mit der Rohrwandung zu verbinden, während die Tragachse und die damit verbundenen Klappen vom Verdrängerrohr zu Reparaturzwecken gelöst werden können.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß für das Eintreiben des Verdrängerrohres die Rohröffnung mit einer lösbaren Fußplatte verbunden ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß beim Eintreiben des Verdrängerrohres durch die Fußplatte das Leitmittel, insbesondere ein als Klappenanordnung ausgebildetes Leitmittel gegen Beschädigun-gen geschützt ist. Die Fußplatte ist als verlorene Fußplatte ausgebildet und verbleibt beim Ziehen des Verdrängerrohres im Erdreich. Eine Alternative zu der Erfindung ist, daß das Leitmittel durch einen in Richtung der Rohröffnung konisch zulaufenden Kragen gebildet wird, der eine Austrittsöffnung für das Füllmaterial begrenzt, wobei die Ebene der Austrittsöffnung gegenüber der Ebene der Rohröffnung zurückversetzt angeordnet ist. Durch ein derart ausgebildetes Leitmittel ist sichergestellt, daß sich das aus der vom Kragen begrenzten Austrittsöffnung austretende Füllmaterial sich in seinem natürlichen Schüttkegel gegen die Wandung des Verdrängerrohres ausbreitet, so daß sich noch innerhalb des Verdrängerrohres bereits eine "Füllmaterialscheibe" ausgebildet hat, die den gesamten Querschnitt der Ausnehmung aufweist und damit beim Ziehen des Verdrängerrohres das seitliche Nachdrücken des umgebenden Erdreichs unterbunden wird. Durch die Anordnung des konischen Kragens ist auch hier wiederum im Endbereich des Verdrängerrohres eine ausreichende Reaktionsfläche vorhanden, die beim Absenken des Verdrängerrohres die notwendige Krafteinleitung auf das Füllmaterial erlaubt und zum anderen ein Zurückdrücken von Füllmaterial in das Verdrängerrohr praktisch unterbindet.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Bodensäule aus tragfähigem körnigem Füllmaterial zur Abtragung von Lasten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem ein Verdrängerrohr in das Erdreich eingetrieben, mit Füllmaterial gefüllt und anschließend durch Ziehen des Verdrängerrohres das Füllmaterial durch die Rohröffnung gegen die Wandung der im Erdreich gebildeten Ausnehmung gerichtet entleert wird. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß durch eine gezielte Führung des aus der Rohröffnung austre tenden Füllmaterials gegen die Wandung der Ausnehmung im Erdreich das umliegende Erdreich daran gehindert wird, das Füllmaterial zu durchsetzen. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, daß das mit Füllmaterial gefüllte Verdrängerrohr durch Rütteln oder Vibrieren gezogen wird, so daß das im Verdrängerrohr enthaltene Füllmaterial bis zu einem gewissen Grade vorverdichtet wird und somit als kompakter Füllmaterialstrom die Rohröffnung verläßt und sich hierbei unmittelbar an die Wandung der Ausnehmung anlegt. In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß während der Verdichtung des Füllmaterials in der Ausnehmung die Rohröffnung zumindest teilweise verschlossen wird. Damit wirkt das auf dem in die Ausnehmung übergetretenen Füllmaterial aufsitzende Rohrende des Verdrängerrohres zugleich als Verdichtungsstempel.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Gesamtanordnung zur Erstellen einer Bodensäule aus tragfähigem körnigem Füllmaterial,
2 die Anordnung gem. 1 mit fertiggestellter Bodensäule,
3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem Leitmittel in Form einer Klappenanordnung,
4 einen Schnitt gem. der Linie VII-VII in 6.
In 1 ist in einem Vertikalschnitt der Bodenbereich für ein Bauvorhaben dargestellt, der einen mehrschichtigen Aufbau aufweist. Die obere, beispielsweise durch eine Auffüllung gebildete Bodenschicht 1 und die darunterliegende, beispielsweise durch Schluff gebildete Weichschicht 2, weisen für das geplante Bauvorhaben nicht die notwendige Tragfähigkeit auf, die erst durch die Bodenschicht 3 gewährleistet ist.
Um bei einer derartigen Bodenschichtung die Tragfähigkeit zu bewirken, werden nun in dem vorgesehenen Bereich mit Abstand zueinander in einem vorgegebenen Raster sogenannte Bodensäulen erstellt.
Zur Erstellung der Bodensäulen wird ein an einem Fahrwerk 4 mit Mäkler 5 geführtes Verdrängerrohr 6 in das Erdreich eingetrieben. Zum Eintreiben ist das obere Ende des Verdrängerrohres 6 mit einer entsprechenden Eintreibvorrichtung 7, beispielsweise in Form einer Ramme oder, wie hier dargestellt, in Form einer Rüttel- oder Vibrationseinrichtung fest verbunden. Über einen entsprechenden Seilzug 8 kann beim Eintreiben das Verdrängerrohr abgesenkt und zum Ziehen entsprechend wieder angehoben werden. Am oberen Ende ist das Verdrängerrohr 6 ferner mit einem Einfülltrichter 9 für ein tragfähiges körniges Füllmaterial, beispielsweise Kiessand mit vorgegebener Kornverteilung angeordnet, das auch mit Bindemittel versetzt sein kann. Der Einfülltrichter 9 kann mit dem Verdrängerrohr 6 verbunden sein oder verfahrbar am Mäkler 5 angeordnet sein. Das Erstellen einer sogenannten Bodensäule erfolgt in der Weise, daß zunächst mit Hilfe der Eintreibvorrichtung 7 das Verdrängerrohr 6 durch die nicht tragfähigen Bodenschichten 1 und 2 hindurchgetrieben wird und in die tragfähige Bodenschicht 3 so weit eingetrieben wird, daß die geforderte Tragfähigkeit der einzubringenden Bodensäule gewährleistet ist.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rohröffnung 10 des in das Erdreich eindringenden Endes des Verdrängerrohres 6 mit einer sogenannten Fußplatte 11 abgeschlossen, die jedoch auf die Rohröffnung 10 nur aufgesetzt ist und beim Ziehen des Verdrängerrohres 6 im Erdreich verbleibt. Das Eintreiben des Verdrängerrohres 6 kann auch ohne Fußplatte 11 erfolgen.
Über den Einfülltrichter 9 wird das Verdrängerrohr 6, wie vorstehend bereits erwähnt, mit einem tragfähigen körnigen Füllmaterial, beispielsweise Kiessand, gefüllt. Die Befüllung kann vor, während oder insbesondere gegen Ende des Eintreibens oder nach dem Eintreiben des Verdrängerrohres erfolgen.
Nach Erreichen der vorgesehenen Tiefe wird mit dem Seilzug 8 bei eingeschalteter Vibrationseinrichtung 7 das Verdrängerrohr 6 nun schrittweise angehoben, so daß aus der Rohröffnung 10 das im Verdrängerrohr enthaltene Füllmaterial entsprechend in die in das Erdreich eingebrachte Ausnehmung übertreten kann. Zweckmäßigerweise wird nach jedem Ziehschritt das Verdrängerrohr 6 je nach der verwendeten Eintreibvorrichtung 7 und Krafteinwirkung, beispielsweise vibrierend, wieder abgesenkt, so daß die in der Ausnehmung im Erdreich befindliche Füllmasse unter Verdichtung gegen die Wandung der Ausnehmung gepreßt wird und hierbei auch in "Weichstellen" oder "Weichzonen" eingepreßt wird. Da die Bodenschichtung durch vorherige Bodenproben im wesentlichen bekannt ist, kann die jeweilige Länge der Zieh- und Verdichtungsschritte entsprechend bemessen werden, so daß der vorgegebene Kernquerschnitt der zu erstellenden Bodensäule eine einheitliche hohe Packungsdichte aufweist.
In 2 ist die Anordnung gem. 1 mit fertiggestellter Bodensäule 12 dargestellt.
In 3 und 4 ist in einem Vertikalschnitt die erfindungsgemäße Ausführungsform r ein Leitmittel 17 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Leitmittel als Klappenanordnung 19 ausgebildet. Die hier dargestellte bevorzugte Ausführungsform weist eine als Quertraverse dienende Tragachse 20 auf, an der zwei gegenläufig nach unten abschwenkbare Klappen 19.1 und 19.2 angelenkt sind. Der Öffnungsweg der hier in ihrer Schließstellung dargestellten Klappenanordnung 19 wird durch wenigstens ein mit der Rohrwandung fest verbundenes Anschlagelement 21 begrenzt, so daß in der Öffnungsstellung die Klappenanordnung 19 die gestrichelte Position einnimmt und das austretende Füllmaterial gegen die Wandung der Ausnehmung lenken.
Da auch bei dieser Ausführungsform zumindest beim Verdichten des in die Ausnehmung im Erdreich eingefüllten Füllmaterials der Verdichtungsdruck aufgenommen werden muß, ist, wie aus 4 ebenfalls zu ersehen, der Tragachse 20 oberhalb ein Stützsteg 22 zugeordnet, der fest mit dem Verdrängerrohr 6 verschweißt ist. Der Stützsteg 22 weist jeweils zwischen den Scharnierteilen 23 der Klappen 19.1 und 19.2 liegende Ansätze 24 auf, die mit der Tragachse 20 berührend in Verbindung stehen, so daß bei einer Krafteinwirkung während des Verdichtungsvorganges die Tragachse 20 im Bereich der stärksten Krafteinwirkung schräg am Stützsteg 22 abgestützt ist.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung einer Bodensäule aus tragfähigem körnigem Füllmaterial für die Abtragung von Lasten mit einem in das Erdreich eintreibbaren und mit Füllmaterial befüllbaren Verdrängerrohr (6), das im Bereich seiner Rohröffnung (10) mit einem im Rohrinnenraum und axial mit Abstand zum freien Rand der Rohröffnung (10) zurückversetzt angeordneten, als Tragachse (20) ausgebildeten Leitmittel (17) versehen ist, wobei das Leitmittel (17) eine Klappenanordnung (19) aufweist, die zur Rohrachse abschwenkbar ausgebildet ist, und oberhalb der Tragachse (20) ein fest mit dem Verdrängerrohr (6) verbundener Stützsteg (22) angeordnet ist, der jeweils zwischen den Scharnierteilen (23) der Klappen (19.1, 19.2) liegende Ansätze (24) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Tragachse ausgebildete Leitmittel (17) durch einen im Bereich der Rohröffnung (10) angeordneten Quersteg gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappenanordnung (19) mit Anschlagelementen (22) zur Begrenzung der Öffnungsbewegung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragachse (20) mit der Wandung des Verdrängerrohres (6) verbunden ist, wobei an der Tragachse (20) zwei gegenläufig schwenkbare Klappen (19.1, 19.2) an-geordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Eintreiben des Verdrängerrohres (6) die Rohröffnung (10) lösbar mit einer Fußplatte (11) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Bodensäule aus tragfähigem körnigem Füllmaterial zur Abtragung von Lasten mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Verdrängerrohr in das Erdreich eingetrieben, mit Füllmaterial befällt und anschließend durch Ziehen des Verdrängerrohres das Füllmaterial durch die Rohröffnung gegen die Wandung der im Erdreich gebildeten Ausnehmung gerichtet entleert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Entleeren durch abschnittsweises Ziehen des Verdrängerrohres in aufeinanderfolgenden Ziehschritten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Ziehschritt das in die Ausnehmung im Erdreich entleerte Füllmaterial durch erneutes Eintreiben des Verdrängerrohres verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verdichtung des Füllmaterials die Rohröffnung zumindest teilweise verschlossen wird.