DE3218995A1

DE3218995A1 - Werkzeug zur herstellung von bohrloechern in lockeren zusammendrueckbaren boeden und verfahren zum herstellen von bohrloechern unter verwendung eines solchen werkzeugs

Info

Publication number: DE3218995A1
Application number: DE3218995A
Authority: DE
Inventors: Sergei Vasilievi&ccaron; &Scaron;atov; Ninel Sergeevna &Scaron;vets; Valentin Ivanovi&ccaron; Feklin; Jurij Aleksandrovi&ccaron; Dnepropetrovsk Kiricek; Anatolji Nikolaevi&ccaron; Mironenko
Original assignee: DNEPROPETROVSKIJ INZENERNO-STROITEL'NYJ INSTITUT DNEPROPETROVSK SU; DN INZH STR INST; Dnepropetrovskij In&zcaron enerno Stroitel'nyj Institut Dnepropetrovsk
Current assignee: DNEPROPETROVSKIJ INZENERNO-STROITEL'NYJ INSTITUT DNEPROPETROVSK SU; DN INZH STR INST; Dnepropetrovskij In&zcaron enerno Stroitel'nyj Institut Dnepropetrovsk
Priority date: 1981-05-20
Filing date: 1982-05-19
Publication date: 1982-12-16
Also published as: IT1192986B; CA1177059A; IT8241583A1; FR2506383B1; DE3218995C2; FR2506383A1

Description

Dnepropetrovsky inzhenerno-stroitelny institut

Dneprope trovsk UdSSR

Werkzeug zur Herstellung von Bohrlöchern in lockeren zusanrmendrückbaren Böden und Verfahren zum Herstellen von Bohrlöchern unter Verwendung eines solchen Werkzeugs

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Werkzeuge zur Erzeugjung von Bohrlöchern in lockeren zusammendrückbaren Böden sowie auf ein Verfahren zur Herstellung von Bohrlöchern unter Verwendung derartiger Werkzeuge.

Die Erfindung kann insbesondere bei der Errichtung von Verdichtungspfählen im Industrie- und Zivilbau verwendet werden.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden unter lockeren zusammendrückbaren Böden setzungsgefährdete Lößböden, wenig tragfähige wassergesättigte Lehmböden mit einer Konsistenzzahl Ix ^ 0,3 sowie lockere wassergesättigte Sand- und andere ähnliche Böden verstanden. Bekanntlich verfügen solche Böden über eine niedrige Strukturfestigkeit und wer-

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- ίο -

den durch Einwirkung von Feuchtigkeit und von dynamischen Beanspruchungen leicht zerstört. Bisher verwendete Bohrverfahren, beispielsweise stoßendes, drehendes oder Druckflüssigkeitsbohren sowie Bohrwerkzeuge zur Durchführung dieser Bohrverfahren erweisen sich an den erwähnten Böden als praktisch unwirksam. So werden beispielsweise beim stoßenden Bohren die Bohrlochwände zerstört. Die kombinierte Anwendung des stoßenden Bohrens und der Vibrationseinwirkung auf den Grund hat zusätzlich eine schädliche Einwirkung auf nahegelegene Bauten und eine starke Geräuschentwicklung zur Folge. Da die Bohrwerkzeuge zum stoßenden Bohren im Aussetzbetrieb arbeiten, wird somit ihre Leistungsfähigkeit begrenzt. Bei drehendem Bohren wird eine genügende Verdichtung der Bohrlochwände nicht gewährleistet, was zur Beeinträchtigung deren Güte und folglich zur Senkung der Tragfähigkeit des Pfahls führt. Das Druckflüssigkeitsbohren ist für die erwähnten Böden überhaupt ungeeignet. Darüber hinaus setzen' die bekannten Verfahren zum Bohren von Bohrlöchern - einzeln oder in Kombination - einengrößeren oder geringeren Bodenaushub voraus, was keine Möglichkeit zum Verdichten der Bohrlochwände bietet.

Aus der US-PS 4-193 461 ist ein Werkzeug und ein Verfahren zum Herstellen von Bohrlöchern in lockeren zusammendrückbaren Böden bekannt. Das Werkzeug enthält ein Gehäuse, das an der Bohrstange befestigt v/erden kann, und einen Kalibrierteil sowie durch Bodenverdichtungsflächen radial begrenzte gleichachsige Abschnitte mit sich in Richtung vom Kalibrierteil zu der Werkzeugspitze hin stufenweise verringernden Halbmessern. Jeder Gehäuseabschnitt stellt eine Plungereinheit dar, welche eine oder mehrere durch einen Antrieb zwischen zwei Endstellungen radial verstellbare Spreizbacken einschließt. Beim Eindringen in den Boden verdichtet der jeweilige Gehäuseaoschnitt den Boden mit Hilfe der Spreizbacken auf einem

Ringumfang, dessen Halbmesser dem Halbmesser des in Richtung von der Werkzeugspitze zum Kalibrierteil hin benachbarten Abschnittes bei der angedrückten Spreizbacke dieses benachbarten Gehäuseabschnittes gleich ist oder ihn etwas überschreitet. Auf diese Weise erfolgt die Erzeugung eines Bohrlochs mit gleichzeitiger Bodenverdichtung.

In der bekannten Vorrichtung erfolgt die Bodenverdichtung durch diskontinuierliche Radialeinwirkung der Spreizbacken auf den Boden nach den den Gehäuseabschnitten entsprechenden Zonen, was eine ungleichmäßige Bodenverdichtung auf dem Bohrlochurcfang wie auch der Bohrlochtiefe nach zur Folge hat, wodurch die Tragfähigkeit des Pfahls beeinträchtigt wird. Die diskontinuierliche Einwirkung auf den Boden, der je nach Verdichtung einen erhöhten V/iderstand einer solchen Einwirkung leistet, wird durch die hin- und herbewegbaren Spreizbacken verursacht. Eine solche Bauweise wie auch das Verfahren zur Einwirkung auf den Boden kennzeichnen sich durch eine begrenzte Leistungsfänigkeit sowie einen erhöhten Energieverbrauch, weil es erforderlich ist, die Spreizbacken zum Vollziehen eines nächstfolgenden Arbeitshubs zurückzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug für lockere zusammendrückbare Böden sowie ein Verfahren zum Herstellen von Bohrlöchern unter Verwendung eines derartigen Werkzeugs aufzuzeigen, um die Bohrlochwände zu verfestigen, erhöhte Festigkeitseigenschaften und gleichzeitig die Bohrleistung bei vermindertem Energieverbrauch zu steigern.

Diese Aufgabe wird mit einem Bohrv/erkzeug, das ein Gehäuse zur Befestigung an der Bohrstange mit einem Kalibrierteil und mit durch radiale Bodenverdichtungsflächen begrenzte stufenförmige Abschnitte enthält gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

daß die Bodenverdichtungsflache des jeweiligen Abschnitts eine Zylinderflache ist, die durch eine zur Werkzeugachse parallel verlaufende Mantellinie vorgegebener Länge erzeugt und durch zwei gleichlaufende Schraubenlinien mit dem gleichen Steigungswinkel begrenzt ist, daß die Zylinderflachen aufeinanderfolgend miteinander durch Übergangsabschnitt verbunden sind, die eine Zylinderfläche aufweisen, deren Mantellinie parallel zur Werkzeugachse verläuft, sich an diese Achse gleichmäßig annähert und einen stetigen Übergang von der Oberfläche des Abschnitts des Gehäuses mit größerem Halbmesser zur Oberfläche des benachbarten Ab-

Schnitts mit kleinerem Halbmesser bildet.

Eine derartige Ausführung des Werkzeugs ist konstruktiv einfach und verfügt über eine hohe Betriebssicherheit, weil das Werkzeug keine gegeneinander bewegbarenBauteiIe enthält. Infolge des stetigen Übergangs von dnem Gehäuseabschnitt zu dem anderen wird eine kontinuierliche Radialeinwirkung auf den Boden gewährleistet, was zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit beiträgt. Das Werkzeug ist geräuschlos im Betrieb und ruft keine Schlagbeanspruchungen des Bodens sowie der nahegelegenen Bauten hervor, so daß es auch in dichtbebauten Stadtbezierken eingesetzt werden kann. Das Fehlen von Schlagbeanspruchungen des Bodens sichert ferner eine gleichmäßige Verdichtung der Bohrlochwände.

Im erfindungsgemäßen Werkzeug sind die benachbarten Übergangsa ^schnitte des Werkzeuggehäuses gegeneinander entlang der zylindrischen Schraubenlinie um einen Winkel von höchstens 720 versetzt. Eine derartige Ausführung des Werkzeugs gestattet es, den Radialschlag zu beseitigen, d. h. die auf das Werkzeuggehäuse einwirkende Belastung gleichmäßig :<;u verteilen.

Zweckmäßigerweise wird das Werkzeug derart ausgeführt, daß an den Zylinderflächen in der Nähe der Absätze der Gehäuseabschnitte mit sich stufenweise vermindernden Halbmessern und der Übergangsabschnitte entlang einer Schraubenlinie Bunde ausgebildet sind, wobei die Radialauskragung des jeweiligen Bundes die Absatzhöhe des benachbarten Gehäuseabschnitts von größerem Halbmesser nicht überschreiten soll. Durch diese Bunde wird eine zusätzliche Bodenverlagerung in Radialrichtung gewährleistet. Ferner stabilisieren sie die achsrechte Verschiebung des Werkzeugs im Boden.

Zweckmäßig ist auch eine andere Ausführung des Werkzeugs, bei der jeder Übergangsabschnitt als eine drehbare Rolle ausgebildet ist, deren Drehachse zur Werkzeugachse unter einem Winkel angeordnet ist, der dem Steigungswinkel der die Zylinderflächen der benachbarten Gehäuseabschnitte beschränkenden Schraubenlinie entspricht, so daß die jweiligo Schraubenlinie in der Ebene der entsprechenden Stirnfläche der Rolle verläuft. Mit dieser Ausführung können die Bohrlochwände intensiv verdichtet werden, was die Standsicherheit der Verdichtungspfähle erhöht. Die Bodenradialverdichtung erfolgt mit Hilfe der Rollen, welche den Reibungswiderstand um das 3- bis 3,5i'ach.e verringern, da die Bodengleitreibung arn Metall durch die Wälzreibung ersetzt wird.

Es ist zweckmäßig, im Gehäuse einai sich in Richtung zur Werkzeugspitze verjüngenden Axialhohlraum und darin einen Vibrator zur Erzeugung von Querschwingungen vorzusehen, der einen Drehantrieb, eine mit der Werkzeugachse in etwa fluchtende Welle sowie auf der Welle ihrer Länge nach montierte und unterschiedliche, sich in Verjüngungsrichtung des im Gehäuse vorhandenen Hohlraums vermindernde Massen aufweisende exzentrische Schwungscheiben einschließt.

Mit Hilfe eines solchen Werkzeugs können Bohrlöcher von größerem Durchmesser (über 0,8 m) wegen der Anwendung einer zusätzlichen radial gerichteten Vibrationseinwirkung auf den Boden gebohrt werden.

Zweckmäßigerweise werden Wellenlager zwischen den exzentrischen Schwungscheiben angeordnet, wodurch die Vibrationseinwirkung der jeweiligen Unwucht auf den Boden lokalisiert wird.

Das Werkzeug kann auch so ausgeführt werden, daß sein Gehäuse gleichachsige Abschnitte mit sich vom Kalibrierteil zur Bohrstange hin stufenweise verringernden Halbmessern aufweist, welche aus achsparallelen Zylinderflächen von vorgegebener Lange und aus zwei gleichlaufenden Schraubenlinien mit gleichem Steigungswinkel gebildet sind, wobei diese Zylinderflächen miteinander aufeinanderfolgend durch zylindrische Übergangsabschnitte verbunden sind, deren Mantellinie parallel zur Werkzeugachse verläuft, sich dieser gleichmäßig annähert und einen stetigen Übergang von der Gehäuseabschnittsfläche mit größerem Halbmesser zu der Zylinderfläche des benachbarten Gehäuseabschnitts mit geringerem Halbmesser bildet. Mit diesem Werkzeug können die Bohrlochwände unter Verwendung von unterschiedlichen Verfestigungsstoffen sowohl beim Bohren als auch beim Ziehen in Zonen mit vorgegebener Festigkeit und Dicke verfestigt werden, was die Tragfähigkeit von Verdichtungspfählen erhöht und den Arbeitsaufwand senkt.

Eine andere Ausführung der Erfindung weist neben dem Werkzeuggehäuse ein mit diesem fluchtendes Zusatzgehäuse mit einem Axialkanal zum Durchlassen eines härtenden flüssigen Mediums, einen Kalibrierteil sowie gleichachsige Gehäuseabschnitte mit sich vom Kalibrierteil zu der Werkzeugspitze

? 1 Q Q Q ς

4 I O d ν¹ J

hin stufenweise verringernden Halbmessern auf. Die gleichachsigen Gehäuseabschnitte sind aus koaxialen Zylinderflächen und aus zwei gleichlaufenden Schraubenlinien mit gleichem Steigungswinkel gebildet. Die Zylinderflächen sind miteinander aufeinanderfolgend durch Übergangsabschnitte verbunden, welche eine Zylinderfläche aufweisen, deren Mantellinie parallel zur Werkzeugachse verläuft, sich an diese gleichmäßig annähert und einen stetigen Übergang vom Gehäuseabschnitt mit größerem Halbmesser zum Gehäuseabschnitt mit geringerem Halbmesser bildet. Das Zusatzgehäuse ist mit dem Werkzeuggehäuse durch ein hohles Übergangsstück \^rerbunden, das mit dem Axialkanal zum Durchlassen des erhärtenden flüssigen Mediums in Verbindung steht und in dein Öffnungen zum Durchgang des Mediums in den Bohrlochhohlraum vorgesehen sind. Am anderen Ende weist das Zusatzgehäuse einen Abschnitt zum Anbau an das Bohrgestängerohr auf, durch den das Medium in den Axialkanal und über die Öffnungen in den Bohrlochhohlraum geführt wird. Diese Ausführung ermöglicht das Verfestigen der Bohrlochwand? beim Bohren und beim Ziehen, wodurch der Arbeitsaufwand herabgesetzt und die Leistungsfähigkeit erhöht werden. Gleichzeitig wird die Festigkeit der Bohrlochwände vergrößert, wodurch sich die Tragfähigkeit der Verdi chtungspfahle bzw. die Betriebszuverlässigkeit der betrieblich ausgenutzten Bohrungen erhöht. Darüber hinaus kann mit einer solchen Ausführung der Verfestigungsstoff in die Bohrlochwände in einer oder mehreren Schichten bzw. mehrere verschiedene Stoffe eingepreßt werden.

Bei einer weiteren Modifikation der Erfindung besteht das Gehäuse aus zumindest zwei Teilen, von welchen der erste Teil mit der den größeren Halbmesser aufweisenden Seite am Bohrgestängerohr angebaut ist sowie einem durchgehenden Axialkanal und an der den kleineren Halbmesser aufweisenden Seite

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eine ihrer Form nach dem Absatz zwischen den benachbarten Gehäuseabschnitten entsprechende Stirnfläche hat, während der zweite Gehäuseteil in den Axialkanal des ersten Teils längsseitig hin- und herbewegbar eingeführt ist und einen Axialkanal zum Durchlassen des erhärtenden flüssigen Mediums, das über das Bohrgestängerohr zugeführt wird, sowie Öffnungen zum Durchgang des erhärtenden flüssigen Mediums enthält, wobei in der Leitung des im ersten Gehäuseteil vorhandenen Axialkanals Längsnuten und an der Außenseite des zweiten Gehäuseteils Vorsprünge ausgebildet sind, die in die Längsnuten derart längsverstellbar eingehen, daß beim Eindringen des Werkzeugs in den Boden der zweite Gehäuseteil in den ersten eingeht und die Auslaßöffnungen durch den ersten Gehäuseteil verschlossen werden, und beim Herausziehen des Werkzeugs aus dem Bohrloch sich der zweite Gehäuseteil aus dem ersten Gehäuseteil herausschiebt, so daß die Auslaß-Öffnungen freigegeben v/erden, infolgedessen das erhärtende flüssige Medium ausfließen und einen Verdichtungspfahl bilden kann. Diese Modifikation ermöglicht es, ein Bohrloch zu erzeugen und den Pfahl zu betonieren, ohne hierzu die Bohrausrüstung zu wechseln und das Bohrloch in nachgiebigen Böden durch Bohrlochfutterrohre verfestigen zu müssen , was eine Erhöhung der Arbeitsproduktivität zur Folge hat.

Eine Modifikation der Erfindung weist einen dem ersten Gehäuseteil ähnlichen, jedoch in entgegengesetzter Richtung umgekehrten dritten Gehäuseteil auf, der auf das Bohrgestängerohr gleitbar aufgesetzt ist und einen Abschnitt mit größerem Halbmesser, der als Kalibrierteil dient, enthält sowie mit einem sich in Richtung des ersten Gehäuseteils erstreckenden und eine ihrer Form nach dem Absatz zwischen den benachbarten Gehäuseabschnitten entsprechende Stirnfläche aufweisenden Hemd versehen ist, wobei an der Ver-

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bindungssteile des ersten Gehäuseteils mit der Bohrstange eine Radialfläche mit einem Verklinkungselement, und am dritten Gehäuseteil eine Paarungsfläche mit einem entsprechenden Verklinkungselement vorhanden ist, wodurch u.em Durchdrehen des ersten und des zweiten Gehäuseteils bezüglich des dritten beim Herausziehen des Werkzeugs aus dem Bohrloch vorgebeugt wird; ferner ist das Hemd in Axialrichtung derart ausgedehnt, daß die im zweiten Gehäuseteil vorhandenen Auslaßöffnungen beim Herausziehen des Werkzeugs aus dem Bohrloch mit diesem begrenzt werden, und an der Bohrstange ist ein Anschlag befestigt, der den Hubweg des dritten Gehäuseteils entlang der Bohrstange beim Eindringen des Werkzeugs in den Boden derweise begrenzt, daß sich die Stirnseite des Hemdes auf der entsprechenden Schraubenlinie einstellt. Diese Modifikation verhindert das Nachfallen des Bodens in das Betongemisch beim Herausziehen des Werkzeugs während des Ausfüllens des Bohrlochs mit Betongemisch zum Formen der. Pfahls.

Die gestellte Aufgabe wird ferner mit einem Verfahren zum Herstellen von Bohrlöchern in lockeren zusamrnendrückbaren Böden gelöst, bei dem die Verfestigung der Bohrlochwände gleichzeitig mit dem Eindrigen des erfindungsgemäßen Werkzeugs durch Anlegen von radial gerichteten Kräften nach den Berührungszonen des Werkzeugs mit dem Boden erfolgt, wobei diese Kräfte in der jaweiligen Berührungszone auf den Umfang des zu bildenden Bohrlochhohlraums aufeinanderfolgend einwirken. Durch eine derartige Bodenverdichtung wird das Bohrloch je nach Eindringen des Werkzeugs bis auf den vorgegebenen Durchmesser erweitert.

Ein solches Verfahren gestattet es, den Boden ,je nach Eindringen des Werkzeugs bzw. der Erzeugung des Bohrlochs ununterbrochen zu verdichten, woraus sich eine hohe Ober—

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flächengüte der Bohrlochwände ergibt.

Es ist zweckmäßig, zuerst mit Hilfe eines an sich bekannten Bohrwerkzeugs und nach einem bereits bekannten Verfahren ein Vorbohrloch zu bohren, dieses dann mit Verfestigungsstoff auszufüllen und mit Hilfe des erfindungsgemäßen Werkzeugs nach der Achse des Vorbohrlochs beim Einpressen des Verfestigungsmaterials in den Boden ein Bohrloch mit vorgegebenem Durchmesser zu bohren.

Die beschriebene Verfahrensvariante gewährleistet die Erzeugung des Bohrlochs und gleichzeitig die Verfestigung der Bohrlochwände mit Verfestigungsmaterial, was es gestattet, die Tragfähigkeit der Verdichtungspfähle zu vergrößern und die Festigkeit der Wände der betrieblich ausgenützten Bohrlöcher zu erhöhen.

Das Vorbohrloch wird mit dem Verfestigungsstoff bis auf einen Pegel von 1...1,5 m unterhalb der Bohrlochmündung gefüllt.

Es ist zweckmäßig, das Bohrloch derart auszuführen, daß das Verhältnis des Durchmessers des Vorbohrlochs zu demselben des Fertigbohrlochs etwa 0,4- bis 0,8 beträgt.

Solche Bedingungen verhindern das Herausdrücken des erhärtenden Verfestigungsmaterials aus der Bohrlochmündung beim Eindringen des Werkzeugs in das Vorbohrloch.

Das Verfahren kann auch mit Hilfe eines Werkzeugs durchgeführt werden, das neben dem Hauptarbeitsteil einen zusätzlichen Arbeitsteil enthält, welcher ähnliche gleichachsige Gehäuseabschnitte mit sich in Richtung vom Kalibrierteil verringernden Halbmessern einschließt. Bei Anwendung eines

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solchen Werkzeugs wird das Verfahren folgenderweise durchgeführt: Erst v/ird das Werkzeug in den Boden auf die vorgegebene Tiefe eingeführt, dann in das dabei gebildete Bohrloch der Verfestigungsstoff gefüllt und anschließend das Werkzeug herausgezogen und dabei das Verfestigungsmaterial in die Bohrlochwände eingepreßt. Diese VerfahrensVariante gestattet es, die Bohrlochwände nicht nur beim Eindringen des Werkzeugs, sondern auch bei dessen Herausziehen aus dem Bohrloch zu verfestigen.

In Abhängigkeit vom Material und der erforderlichen Bohrlochtiefe kann das Verfestigungsmaterial portionsweise zugeführt werden. Dies bietet die Möglichkeit, den Verbrauch an das Verfestigungsmaterial wesentlich herabzusetzen und den Werkzeugdruck entsprechenderweise zu regeln. Bei Durchführung des Verfahrens mit einem solchen Werkzeug kann das Werkzeug in den Boden gleichzeitig mit der Zuführung des Verfestigungsstoffes eindringen, dann nach dem Niederbringen des Bohrlochs auf die vorgegebene Teufe herausgezogen werden, wobei der Verfestigungsstoff in die Bohrlochwände eingepreßt v/ird.

Ferner kann das Verfahren mit Hilfe eines Werkzeugs durchgeführt werden, das zwei miteinander fluchtend montierte Gehäuse enthält, die dem bei der Durchführung einer vorstehend beschriebenen Verfahrensvariante ähnlich sind. Eines dieser Gehäuse hat eine Spitze und das andere ist am Bohrgestängerohr angebaut und weist einen durchgehenden Axialkanal auf, wobei beide Gehäuse durch ein hohles Übergangsstück mitGinander verbunden sind, das mit dein Axialkanal in Verbindung steht und Auslaßöffnungen zum Durchgang des Verfestigungsmaterials in den Bohrlochhohlraum besitzt. Bei der Durchführung des Verfahrens mit einem solchen Werkzeug dringt das letztere in den Boden auf die vorgegebene Teufe

mit gleichzeitiger Zuführung des Verfestigungsmaterials und dessen Einpressen in die Bohrlochwände ein, wonach das Werkzeug aus dem Bohrloch herausgezogen wird. Dabei kann der Verfestigungsstoff in den Bohrlochhohiraum auch zusätzlich beim Herausziehen des Werkzeugs aus dem Bohrloch zugeführt und beim Ziehen des Werkzeugs in die Bohrlochwände eingepreßt werden, so daß sich auf solche V/eise eine zusätzliche Verfestigungsschicht an den Bohrlochwänden bildet.

Nachstehend wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in denen gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen fortlaufend numeriert sind. Es zeigen:

Fig. 1 ein Bohrwerkzeug in Gesamtansicht;

Fig. 2 Ansicht in Richtung des Pfeils A der Fig. 1<;

Fig. 3 den geometrischen Aufbau des Werkzeugs nach Fig. 1;

Fig. 4 mehrere Ausführungen des Bohrwerkzeugs; bis 6

Fig. 7 einen Axialschnitt des Werkzeugs nach Fig. 6; Fig. 8 einen Schnitt VIII-VIH in Fig. 7;

Fig. 9 in vergrößertem Maßstab das Übergangsstück eines Werkzeugs nach Fig. 7;

Fig. 10 einen Schnitt X-X in Fig. 9;

Fig. 11a schematisch den Ablauf des erfindungsgebis 11e mäßen Bohrverfahrens;

ο- π ■"! ι: υ vj .j D

Fig. 12 eine weitere Werkzeugausführung; Fig. 13 einen Schnitt XIII-XIII in Pig. 12;

Fig. 14 eine Werkzeugausführung mit einem umgekehrt gerichteten Arbeitsteil

Fig. 15^a einen anderen Ablauf des erfindungsgebis 15d mäßen Verfahrens;

Fig. 16 eine Werkzeugausführung mit zwei fluchten

den Gehäusen;
Fig. 17 einen Schnitt XVII-XYII in Fig. 16;

Fig. 18a _tb schematisch einen anderen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Werkzeugen gemäß Fig. 16, 17;

Fig. 19 im Axialschnitt eine Werkzeugausführung mit einem zweiteiligen Gehäuse beim Eindringen in den Boden;

Fig. 20 einen Schnitt XX-XX in Fig. 19; Fig. 21 einen Schnitt XXI-XXI in Fig. 19;

Fig. 22 einen Axialschnitt des Werkzeugs gemäß Fig. 19 beim Ziehen;

Fig. 23 einen Schnitt XXIII-XXIII in Fig. 22;

Fig. 24-a, b ein Wirkschema des erfindungsgemäßen Werkzeugs das in Fig. 19 und 22 in zwei Stellungen dargestellt ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Bohrwerkzeug enthält ein zur Befestigung an einer Bohrstange 2 hergerichtetes Gehäuse 1, das einen Kalibrierteil 3 sowie gleichachsige Abschnitte 4 aufweist, die den Arbeitsteil des Werkzeugs bilden. Jeder Abschnitt 4 hat einen Halbmesser r und sämtliche Abschnitte sind derart angeordnet, daß der Halbmesser des jeweiligen in Richtung vom Kalibrierteil 3 zu der Werkzeugspitze 5 hin benachbarten Abschnitts abnimmt. Darüber hinaus ist jeder Abschnitt 4 am Umfang durch eine Bodenverdichtungsfläche begrenzt. Diese Verdichtungsfläche ist eine Zylinderfläche (Fig. 3)» welche durch eine zur Werkzeugachse parallel verlaufende Mantellinie t mit vorgegebener Länge erzeugt und durch zwei gleichlaufende Schraubenlinien a und b mit gleichem Steigungswinkel ^- begrenzt ist. Die Form des Arbeitsteils des Werkzeuggehäuses 1 ähnelt der eines Kegels, der durch Abschnitte 4, die radial von Zylinderflächen begrenzt sind, mit den sich vom Kalibrierteil 3 zu der Werkzeugspitze 5 hin stufenweise vermindernden Halbmesser gebildet wird. Da die benachbarten Abschnitte 4 unterschiedliche Halbmesser haben, bestehen zwischen ihnen bzw. zwischen ihren Zylinderflächen Absätze 6, die zu Vereinfachungszwecken als Bunde in Fig. 1 dargestellt sind. Der Absatz 6 kann aber auch abgerundete Kanten haben, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die Zylinderflächen der benachbarten Abschnitte 4 sind aufeinanderfolgend miteinander durch Übergangsabschnitte 7 (Fig. 1 und 2) verbunden, die eine Zylinderfläche aufweisen, deren Mantellinie ihrer Länge nach der Mantellinie C gleich ist, parallel zur Bohrerachse :i verläuft, sich an dieser Achse gleichmäßig annähert und einen stetigen Übergang von der Zylinderfläche des Abschnitts 4 mit größerem Halbmesser zu der Zylinderfläche des benachbarten Abschnitts 4 mit kleinerem Halbmesser bildet.

Π "ζ o VJ

Wie es aus Fig. 1 und insbesondere Fig. 2 ersichtlich ist, ist der jeweils nächste Übergangsabschnitt 7 entlang der zylindrischen Schraubenlinie um eine Winkelgrößo von höchstens 720 versetzt, d. h. die Winkelverschiebung θ der Übergangsabschnitte 7 bzw. die Länge das Abschnitts 4 entlang der zylindrischen Schraubenlinie, beispielsweise der Schraubenlinie a, den Wert von 720 nicht überschreiten soll, weil sich anderenfalls der Abschnitt 4 in einen zylindrischen Körper umwandelt, der als Kalibrierteil arbeitet, welcher weder an der Aufweitung des Bohrlochs bis auf den vorgegebenen Durchmesser noch an der Bodenverdichtung teilnimmt, was aus der Beschreibung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Werkzeugs ersichtlich sein wird.

Bei Betrachtung der Fig. 4 ersieht man, daß an den Zylinderflächen der Abschnitte 4 in der Nähe der Absätze 6, v/ie auch an den Übergangsabschnitten 7 entlang der Schraubenlinie Bunde 8 ausgebildet sind. Die 'Radialauskragung des jeweiligen Bundes soll die Höhe des Absatzes 6 des benachbarten Abschnitts 4 mit größerem Halbmesser nicht überschreiten. Solche Radialabmessungen der Bunde 8 sind mit dem Ziel gewählt, dem Nachfallen der Bohrlochwände beim Bohren vorzubeugen.

Wie es aus den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich ist, enthält das erfindungsgemäße Werkzeug einen Axialkanal 9 sowie Ableitkanäle 10, die mit einer Druckflüssigkeits-, beispielsweise Druckwasserquelle (nicht gezeigt) in Verbindung stehen. Über den Kanal 9 sowie die Ableitkanäle 10 kann im Bedarfsfall (sehr dichter Boden) Flüssigkeit in einer Menge zugeführt werden, die für die Herabsetzung der Werkzeugbelastung ohne wesentliche Störung der Bodenstruktur ausreicht.

JZ i ö

Das erfindungsgemäße Werkzeug wurde vorstehend so beschrieben, wie es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Was aber die konkreten baulichen Charakteristiken, beispielsweise Abmessungen, anbetrifft, so liegt es in der Kompetenz der Fachleute auf diesem Gebiet der Technik, welche unter Verwendung von bekannten Werkstoffen sowie bekannten Gestaltungsverfahren mit Berücksichtigung von konkreten Bedingungen in Übereinstimmung mit dem Verwendungszweck des Werkzeugs die Erfindung ohne Schwierigkeiten realisieren können.

Nachstehend sind nur wenige Beispiele der Bestimmung der Abmessungen des erfindungsgemäßen Werkzeugs beschrieben. Die durchgeführte Untersuchung des Werkzeugs hat ergeben, daß die Konizität <jC des Werkzeugs zweckmäßigerweise in einem Bereich von 15 bis 40° liegen soll, wobei der wirksamste; Bereich von 20 bis $0° beträgt. Die Anzahl der Abschnitte 4 schwankt in den Grenzen von 5 bis 20, während die am meisten geeignete Anzahl 10 bis 15 beträgt.

Beispiel 1

Beim vorgegebenen Bohrlochdurchmesser D = 600 mm, einer Konizität cf. = 25 sowie einer Winkelverschiebung θ = 450° ist es erforderlich, folgendes zu bestimmen:

- Absatzhöhe t;

- minimales Axialmaß 1 des Abschnitts mit demselben Halbmesser;

- Halbmesser des jeweiligen gleichachsigen Gehäuseabschnitts vom Kalibrierteil zu der Werkzeugspitze ν_Λ , r~ ... r...

Angenommen, η= 10, R= 1/2 D, dann:

R 500 ,_n

t = - = -^ = 30 mm;

1 - 360,- R - 360 »360 _ _Λ ₉

¹ " ηθ tg ^C/2 ' 10 · 4^0 . 0,22 ^ '

_? = R - t = 300 - 30 = 270 mm;

= R - 2t = 300 - 60 = 240 mm, usw.

Die Länge das Werkzeugs bzw. dessen Arbeitsteils kann nach folgender Formel berechnet werden:

^Θ1 ^&2 ⁶D i = η _±

L = I₁ ^₃ + I₂ ^₀ + ... I_n ^₀ = >_____; I₁ -_ϋσ- (D

Hierin bedeuten:

Iy,, Io ·.· 1 Steigung der zylindrischen Schraubenlinie bzw. minimales Axialmaß bzw. Länge der Mantellinie der Zylinderfläche der gleichachsigen Gehäuseabschnitte von 1 bis n;

θ^, ©2 ... θ_η Winkelverschiebung der Übergangsabschnitte von 1 bis n;

ττ-φ Schraubengangzahl N der Schraubenlinie in den Grenzen desselben Gehäuseabschnitts.

■OL· I <J -J -J

Für die Werkzeuge, bei denen IL· = Ip ⁼ ··· I_n - const, und θ=θ_ο=...θ = const., d. h. bei gleichem Betrag der
Größen 1 und θ für sämtliche Abschnitte kann die Werkzeuglänge nach folgender Formel berechnet werden:

= nl 3§ö = nlN. (2)

Hierin bedeutet η die Anzahl der gleichachsigen Gehäuseabschnitte.

Anmerkung. Die Winkelverschiebung der Übergangsabschnitte
wird vom Mittelteil des einen Übergangsabschnitts zum Mittelteil des nächstfolgenden Übergangsabschnitts bestimmt.

Beispiel 2

Es ist notwendig, die Länge L des Arbeitsteils bei η = 10; 1 = 70 ^min ^un(i © - ^5O zu bestimmen.

Hierzu ist die Formel (2) zu verwenden, woraus
L = 10 χ 70 χ ||g = 875 mm.

Beispiel 5

Es ist notwendig, die Länge L des Arbeitsteils bei η = 12; 1 = 80 mm und θ = 4-20° zu berechnen.

Hierzu ist die Formel (2) zu verwenden, woraus

4PO

4-PO
L = 12 χ 80 χ 4|g = 1120 mm.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Werkzeugs besteht
in folgendem.

Q 9 1 P ο. η ς

OZ. I υ J J

Zuerst wird auf der Bodenoberfläche die Zentrierspitze 5 in dem Punkt angeordnet, in dem das mutmaßliche Bohrloch zu erzeugen ist. Dann wird das Werkzeug über die Bohrstange 2 mittels eines Antriebs (nicht gezeigt) in Drehung versetzt. Gleichzeitig mit der Drehung wird auf das Werkzeug der Axialdruck übertragen, der unter Wirkung der Eigenmasse des Werkzeugs, der Bohrstange, des Antriebs und der Auflast bzw. unter Wirkung des zwangsläufigen Vorschubs zustandekommt. Infolge der Drehung und des Axialdrucks dringt das Werkzeug in den Boden ein. Beim Eindringen des Werkzeugs wird der Boden in Radialrichtung von dem Randteil des zu bohrenden Bohrlochs mit den Übergangsabschnitten 7 ununterbrochen verdichtet. Die Zylinderflächen der Abschnitte 4 nehmen an der Bodenverdichtung nicht teil. Die Bodenverdichtung kommt allmählich zustande, zuerst durcn die unmittelbar an der Spitze ^Lj befindlichen Abschnitte, d. h. diejenigen Flächen, die in Radialrichtung am nächsten zur Bohrerlängsachse gelegen sind, Beim Durchdrehen des Werkzeugs um eine Winkelgröße Θ, di*=» der Länge des Zylinderabschnitts entlang der Schraubenlinie gleich ist, erfolgt die Bodenverdichtung durch den nächsten, um eine Stufe höher von der Spitze 5 befindlichen Übergangsabschnitt, usw. Beim Durchlaufen des Kalibrierteils 3 wird das zylindrische Bohrloch von erforderlichem Durchmesser gebildet.

Die Bunde 8 dienen als Schneckenflügel, begünstigen das fortschreitende Eindringen des Werkzeugs in den Boden und stabilisieren diese Abwärtsbewegung. Beim Eindringen des Werkzeugs in stark zusammendrückbare Böden, beispielsweise iii Lehmböden mit einer Konsistenzzahl I_T^ 0,6, kann auf das Vorhandensein von Bunden in der Regel verzichtet werden. Beim Bohren des Bohrlochs wird der Boden nicht ausgehoben, sondern allmählich in die Bohrlochwände eingepreßt.

Ι ί ö 3 y

Dabei wird um das Bohrloch herum eine Zone verdichteten Bodens gebildet. Infolge der Bodenverdichtung um das Bohrloch herum werden die Tragfähigkeit der Verdichtungspfähle im Boden erhöht und die Setzungseigenschaften des Lößbodens behoben.

Das erfindungsgemäße Werkzeug kann zur Durchführung des Verfahrens zum Erzeugen eines Bohrlochs mit Zuführung von Verfestigungsstoff verwendet werden. Wie es aus Fig. 11 (a bis e) ersichtlich ist, wird zuerst ein Vorbohrloch (Fig. 11a), dessen Durchmesser kleiner als der vorgegebene ist, gebohrt und danach das erhaltene Bohrloch mit Verfestigungsmaterial gefüllt (Fig. 11b). Darauf-folgend wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Werkzeugs gleichachsig mit dom Vorbohrloch durch Einpressen des Verfestigungsmaterials in den Boden ein Bohrloch mit vorgegebenem Durchmesser gebildet (Fig. 11c und d). Das fertige Bohrloch ist in Fig. 11e dargestellt.

Sehr bequem im Betrieb ist die in Fig. 6 bis 10 der beiliegenden Zeichnungen gezeigte Modifikation des erfindungsgemäßen Werkzeugs. Gemäß dieser Modifikation ist der jeweilige vorstenend erwähnte Übergangsabschnitt 7 (Fig. 6 und 7) durch eine Rolle 12 (Fig. 6 und 7) gebildet, die auf ihrer Achse 13 breobewegbar angeordnet ist. Die Achse 13 der Rolle 12 (Fig. 7) ist zur Bohrerachse unter einem Winkel ^ angeordnet, der dein Steigungswinkel A der die Zylinderflächen der benachbarten Abschnitte 4 des Gehäuses 1 beschränkenden Schraubenlinie gleich ist. Dabei verläuft die jeweilige Schraubenlinie in der Ebene der entsprechenden Stirnfläche der Rolle 12, wie es in Fig. 7 bedingt mit punktierten Linien angedeutet ist.

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Die Rollen 12 sind in der Ouerschnxttsebene des Werkzeugs (Fig. 7 und 8) gegeneinander versetzt, insbesondere um 90°? im Gehäuse 1 auf Konsolen 14· (Fig. 8) montiert. Dabei sind im Gehäuse 1 Öffnungen ausgeführt und die Rollen in diesen Öffnungen derweise angeordnet, daß ein stetiger Übergang von der Zylinderfläche mit größerem Halbmesser zu der Zylinderfläche mit geringerem Halbmesser gebildet wird, wie es aus Fig. 10 hervorragend ersichtlich ist.

Der Durchmesser jeder Rolle 12 wird so gewählt, daß er den halben Durchmesser des Gehäuses 1 in dem Querschnitt, wo die gegebene Rolle angeordnet wird, nicht überschreitet, und deren Länge wird ihrerseits so gewählt, daß sie dem Abstand zwischen den Schraubenlinien an der gegebenen Stelle des Gehaust,? 1 entspricht. An der jeweiligen Rolle 12 (Fig. 9 und 10) ist neben ihrer unteren Stirnfläche ein Bund 8 ausgebildet, der einen stetigen Übergang zwischen den Zylinderflächen der Rollen 12 und der Gehäuseabschnitte 4 bewirkt. Die Rollen vermindern die auf das Werkzeug einwirkenden Reibungskräfte wesentlich, da sie sich mit dem Gehäuse 1 drehen und eine Radialverdichtung des Bodens gewährleisten, so daß die Gleitreibung durch eine Wälzreibung ersetzt wird. Die bauliche Gestaltung der Rollen kann verschieden sein. Insbesondere können sie auf Walzlagern 15 montiert sein, zwischen denen eine Abstandshülse 16 angeordnet wird, wie es in Fig. 9 und 10 dargestellt ist. Selbstverständlich können aber auch Gleitlager und andere ähnliche Baueinheiten eingesetzt werden.

Die durch die Rollen verminderte Reibung zwischen dem Werkzeug und dem Boden senkt den Energieverbrauch und steigert die Leistungsfähigkeit bei Durchführung von Pfahlgründungsarbeiten. Die Rollen 12 verbessern die Verdichtung der Bohrlochwände, was die Vergrößerung der Tragfähigkeit des nach-

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folgend gefertigten Verdichtungspfahls bedingt.

Wenn es erforderlich ist, die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Werkzeugs wesentlich zu erhöhen, beispielsweise beim Erzeugen von Bohrlöchern mit großem Durchmesser von z. B. über 0,8 m, insbesondere in Böden mit Harteinschlüssen, ist eine in Fig. 12 dargestellte Modifikation besonders vorteilhaft, bei der das Gehäuse 1 einen sich in Richtung der Werkzeugspitze 5 verjüngenden axialen Hohlraum 17 aufweist. Dabei ist im Werkzeug ein im Hohlraum 17 montierter Vibrator 18 zur Erzeugung von Querschwingungen vorgesehen. Der Vibrator 18 enthält einen im Oberteil des Gehäuses 1 montierten Drehantrieb 19, eine mit diesem Antrieb gekoppelte und im v/esentlichen gleichachsig mit der Werkzeugachse angeordnete Welle 20 sowie exzentrische Schwungscheiben (Unwuchte) 21. Diese exzentrischen Schwungscheiben sind auf der Welle 20 deren Länge nach angebracht und weisen unterschiedliche Massen auf, die sich in Verjüngungsrichtung des Hohlraums 17 des Gehäuses 1 vermindern. Eine derartige Verteilung der Unwuchtmassen ist notwendig, weil der durch den Boden beim Eindringen des Werkzeugs geleistete Widerstand je nach Vergrößerung des Bohrlochquerschnitts zunimmt, infolgedessen für die Oberwindung dieses Widerstands größere Kräfte vonnöten sind.

Beim Betrieb des nach dieser Modifikation ausgeführten Werkzeugs führt das Drehen der Welle 20 mit den Unwuchten 21 zur Erzeugung von Querschwingungen im Gehäuse 1, infolgedessen sich das Werkzeug schwingend in den Boden einschraubt. Dabei wird der Bodenwiderstand wesentlich herabgesetzt und die Bodenverdichtung verbessert. Darüber hinaus wird bei einem derartigen Eindringen des Werkzeugs in den Boden der sich in solchen Fällen herkömmlicherweise vorfindende Vakuumeinsau ^effekt ausgeschaltet, wodurch der Kraft- und Zeit-

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aufwand für das Ziehen des Werkzeugs aus dem Bo.irloch herabgesetzt wird.

Bei dieser Modifikation sollte das Werkzeug mehrere zwischen den Unwuchten 21 angeordnete Lagerungen 22 für die Welle haben, wie es in Fig. 12 und 13 gezeigt ist. Solche Lagerungen 22 dienen nicht nur zur Aufnahme von Radialbelastungen und zur Verminderung des Radialschlags der Welle 20, sondern auch zur Lokalisierung der Vibrationseinwirkung der Jeweiligen Unwucht 21 auf den Boden. Diese Bauweise kann besonders vorteilhaft dann zur Verwendung gelangen, wenn sich die Bodenstruktur und -dichte je nach Bohrlochtiefe verändern.

Das erfindungsgemäße Werkzeug kann auch so ausgeführt werden, wie es in Fig. 14 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist. Gemäß dieser Modifikation weist das Gehäuse 1 einen Kalibrierteil 3 sowie einen vorderen Arbeltsteil 1a vom Kalibrierteil 3 zu der Wei-kzeugspitzr 5 hin und einen hinteren Arbeitsteil 1b vom Kalibrierteil 3 zu der Bohrstange 2 hin auf. Die Arbeicsteile 1a und 1b sind ähnlich ausgeführt und entsprechen in etwa dem Arbeitsteil einer der vorstehend beschriebenen Modifikationen (Fig. 1). Gegebenenfalls (Fig. i^y-') sind ebenfalls gleichachsige zylindrische Abschnitte mit sich stufenweise vermindernden Halbmessern vorhanden. Im Vorderteil 1a sind es Abschnitte 4a, deren Halbmesser sich in Richtung vom Kalibrierteil 3 zu der Werkzeugspitze 5 hin verringern, und im !unterteil 1b Abschnitte 4b, deren Halbmesser sich in Richtung vom Kalibrierteil 3 zu der Bohrstange 2 hin vermindern. Im vorderen wie auch im hinteren Arbeitsteil 1a und 1b, sind Übergangsabschnitte 7a und 7b, sowie Bunde 8a und 8b vorgesehen.

Die Tatsache, daß im Gehäuse 1 neben dem vorderen Arbeitsteil 1a auch der hintere Arbeitsteil 1b vorhanden ist, gestattet es, die gegebene Werkzeugmodifikation zur Durchführung von verschiedenen Varianten des erfindungsgemäßen Bohrverfahrens zu verwenden.

So dringt das Werkzeug bei einer Durchführungsvariante des Verfahrens in den Boden auf die vorgegebene Teufe ein (Fig. 15a), wonach in die Bohrlochmündung das Verfestigungsmaterial 23 eingegeben (Fig. 15b) und das Werkzeug herausgezogen wird (Fig. 15c). Beim Herausziehen des V/erkzeugs (Fig. 15c) preßt der Hinterteil 1b des Gehäuses 1 das Verfestigungsmaterial 23 in die Bohrlochwände ein, so daß sich auf ihrem Umfang eine Verfestigungshülle 24· bildet. Das Verfestigungsmaterial 23 dient zum Schutz der Bohrlochwände vor Nachfallen im Verlaufe des Niederbringen^ des Bohrlochs und erhöht die Tragfähigkeit des nachfolgend errichteten Verdichtungspfahls.

In Fig. 15d ist ein Fertigbohrloch mit der auf seinem Umfang hergestellten Vorfestigungshülle 24- gezeigt. Dieses Bohrloch kann im weiteren sowohl zur Herstellung eines Verdichtungspfahls als auch für andere Zwecke, beispielsweise als ein Brunnen unterschiedlichen Verwendungszwecks, verwendet werden. Als Verfestigungsmaterial können Betongemisch, Sand, Schlacke, Zement-Sand-Mörtel, Mörtel mit organischen Bindemitteln, Bodengemische und andere Stoffe zur Vorwendung kommen.

Es ist hervorzuheben, daß die Materialverfestigung der Bohrlochwände sowohl auf ihrer gesamten Länge als auch auf einem beliebigen Abschnitt durchgeführt werden kann. So kann das Verfestigungsmaterial in Übereinstimmung; mit

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einer weiteren Verfahrensvariante portionsweise eingegeben werden, wobei diese Portionen einzelne Bohrlochabschnitte mit einer Länge von beispielsweise 2 bis 3 m einnehmen. Bei portionsweisem Eingeben des Verfestigungsmaterials wird dessen Verbrauch wesentlich herabgesetzt. Darüber hinaus können bei portionsweiser Eingabe die auf das Werkzeug sowohl bei dessen Eindringen in den Boden als auch bei dessen Herausziehen aus dem Bohrloch einwirkenden Belastungen reguliert v/erden.

Gemäß einer anderen Verfahrensvariante kann das Verfestigung smaterial gleichzeitig mit dem Eindringen dos Werkzeugs in den Boden eingebracht und, genau so, wie vorstehend beschrieben, beim Herausziehen des Werkzeugs nach dem Miederbringen des Bohrlochs in die Bohrlochwände eingepreßt werden.

Die Wahl der jeweiligen DurchsührungsVariante des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt von den konkreten Bedingungen, unter welchen die Pfahlarbeiten durchgeführt werden, von der erforderlichen Leistungsfähigkeit, den Bohrlochabmessungen, der Zusammensetzung des Verfestigungsstoffes sowie von ärgeren Faktoren ab.

Das erfindungsgemäße Werkzeug kann auch so ausgeführt sein, wie es in "Fig. 16 und 17 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist. Gegebenenfalls enthält das Werkzeug (s. Fig.16) außer seinem Hauptgehäuse 1, das dem in Fig. 1 gezeigten ähnlich ist, ein im wesentlichen genau solches zusätzliches Gehäuse 25, das mit dem ersten fluchtend angeordnet und durch ein hohles Übergangsstück 26 verbunden ist.

Dieses Zusatzgehäuse 25 weist einen mit dem im Übergangsstück 26 vorhandenen Hohlraum in Verbindung stehenden Axial-

kanal 27 sowie einen Abschnitt 28 zu dessen Anbau an das Bohrgestängerohr 2 auf.Dabei sind im Übergangsstück 26 seitlich Öffnungen 29 (s. auch Fig. 17) ausgeführt. Das derartig gebildete Netz aus kommunizierenden Kanälen bietet die Möglichkeit , in den Bohrlochhohlraum über diese Kanäle erhärtendes flüssiges Medium, insbesondere das vorstehend erwähnte Verfestigungsmaterial,einzubringen.

Das Eindringen eines solchen Werkzeugs in den Boden (Fig. 18a) erfolgt so, wie es vorstehend für die erste Werkzeugmodifikation beschrieben ist. Gleichzeitig wird in das zu erzeugende Bohrloch über das Bohrgestängerohr 2, den Kanal 27 und die öffnungen 29 des Übergangsstücks 26 das Verfestigungsmaterial 23 eingebracht, das in den Raum zwischen dem Hauptgehäuse 1 und dem Zusatzgehäuse 25 gelangt. Beim Niederbringen des Bohrlochs wird das Verfestigungsmaterial 23 in die Bohrlochwände durch den Arbeitsteil 25a des Zusatzgehäuses 25 eingepreßt, infolgedessen auf dem Bohrlochumfang eine verdichtete Verfestigungshülle 24 gebildet wird.

Nach dem Niederbringen des Bohrlochs auf die vorgegebene Tiefe wird mit dem Herausziehen des Werkzeugs aus dem Boden (s. Fj.g. 18b) angefangen. Dabei wird das Verfestigungsmaterial 23 in die Bohrlochwände durch den hinteren Arbeitsteil 1b des Hauptgehäuses 1 eingepreßt, infolgedessen die Dicke der Verfestigungshülle 24 zunimmt.

Bei Benutzung der gegebenen Werkzeugmodifikation kommen die Bodenverdichtung und -verfestigung gleichzeitig zustande , wobei beide Prozesse sowohl beim Eindringen des Werkzeugs in den Boden als auch bei dessen Herausziehen erfolgen. Dies tragt wesentlich zur Erhöhung der Arbeitsproduktivität bei.

Für den Fachmann dürfte es offenkundig sein, daß das erfindungsgemäße Werkzeug nicht nur zwei, sondern auch mehr Gehäuse enthalten kann. Hit einem solchen Werkzeug läßt sich sowohl eine einschichtige als auch eine menrschichtige Verfestigungshülle, beispielsweise aus verschiedenen erhärtenden Stoffen, herstellen. Beim zweitgenannten Fall der Herstellung der Verfestigungshülle ist es vorteilhaft, beim Eindringen des Werkzeugs in den Boden in den Bohrlochhohlraum das eine, und bei dessen Herausziehen aus dem Bohrloch das andere Verfestigungsmaterial einzubringen. Im Werkzeug kann auch nicht nur ein Axialkanal, sondern mehrere solche Kanäle zur getrennten Zuführung von verschiedenen Verfestigungsmaterialien ausgeführt v/erden.

-o¹-

Bei Herstellung von Verdichtungspfählen mit vorhergehender Erzeugung eines Bohrlochs nach dem erfindungsgenäßen Verfahren kann besonders vorteilhaft das in Fig. 19 bis 24 dargestellte Werkzeug verwendet werden* Gemäß dieser Modifikation (Fig. 19) enthält das ^Morkzeuggehäuse 1 entweder zwei Teile 30 und 3^ oder zusätzlich einen dritten Teil 32 (die letztere ist in den Zeichnungen als die bevorzugte Ausführungsvariante geseigt).

Jeder dieser Gehäuseteile weist Abschnitte 4 mit sich stufenweise vermindernden Halbmessern auf, welche vorstehend ausführlich beschrieben wurden. Der erste Gehäuseteil 30 ist mit der den größeren Halbmesser aufweisenden Seite am Bohrgestänge 2 angebaut und hat einen durchgehenden Axialkanal 33» während an der den kleineren Halbmesser aufweisender Seite eine ihrer Form nach dem Absatz 6 zwischen den benachbarten Abschnitten M- des zweiten Teils 31 des Gehäuses 1 entsprechende Stirnfläche vorhanden ist.

Der zweite Gehäuseteil 31 weist eine Spitze 5 auf und ist in den Axialkanal 33 des ersten Gehäuseteils hin- und herbewegbar eingeführt. Darüber hinaus weist dieser Gehäuseteil ebenfalls einen Axialkanal 34 mit seitlich ausgeführten Öffnungen 35 auf, der zum Durchlassen des erhärtenden flüssigen Mediums, beispielsweise des Betongemisches, über das Werkzeug in das Bohrlochinnere bestimmt ist.

In der Leibung des im ersten Teil 33 des Gehäuses 1 vorhandenen Axialkanals 33 sind Längsnuten 36 und an der Außenseite des zweiten Gehäuseteils 31 Vorsprünge 37 ausgebildet, die in diese Längsnuten längsverstellbar eingehen. Durch eine solche Ausführungsform wird die gemeinsame Drehung des Bohrgestängerohrs 2 sowie des ersten und des zweiten Teils, entsprechend 30 und 31, des Gehäuses 1 gewährleistet.

Der dritte Teil 32 des Werkzeuggehäuses 1 ist dessen erstem Teil 30 ähnlich ausgeführt, seine Abschnitte 4 verjüngen sich aber in umgekehrter Richtung, d. h. in Richtung des Herausziehens des Werkzeugs aus dem Bohrloch. Dieser Gehäuseteil 32 ist auf das Bohrgestängerohr 2 gleitoewegbar aufgesetzt und weist einen Abschnitt 3 mit größerem Halbmesser auf, der als Kalibrierteil dient und mit einem sich in Richtung des ersten Teils 30 des Gehäuses 1 erstreckenden Hemd 38 versehen ist. Dabei ist auf dem Bohrgestängerohr 2 ein Anschlag 39 (s. auch Fig. 20) zur Begrenzung des Hubwegs des dritten Teils 32 des Gehäuses 1 entlang des Bohrgestängerohrs 2 beim Eindringen des Werkzeugs in den Boden vorgesehen. Die Stirnseite des Hemds entspricht ihrer Form nach dem Absatz 6 zwischen den benachbarten Abschnitten 4· des ersten Teils 30 des Gehäuses

An de:· Verbindungsstelle des ersten Teils 30 des Gehäuses

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- 57 -

mit dem Bohrgestängerohr 2 ist am letzteren eine Radialflache 40 (Fig. 21), gegebenenfalls am Flansch 41 (Fig. 19) des Bohrgestängerohrs 2, ausgeführt und mit einem Verklinkungselement, beispielsweise mit Vorsprüngen 4^, versehen. Dabei ist am dritten Teil 52 des Gehäuses 1 eine Paarungsfläche 45 mit einem entsprechenden, durch die Vorsprünge 44 gebildeten Verklinkungselement vorhanden. Eine solche bauliche Gestaltung gestattet es, beim Herausziehen des Werkzeugs die Vorsprünge 42 und 44 miteinander in Eingriff zu bringen (s. Fig. 22) und derweise dem Durchdrehen des dritten Gehäuseteils 32 bezüglich des ersten und des zweiten Gehäuseteils, entsprechend 30 und 31» vorzubeugen, wodurch die Auflockerung der durch das Werkzeug verdichteten Bohrlochwände vermieden wird. Es muß darauf hingewiesen werden, daß die Ausdehnung des Hemdes 58 in Axialrichtung dazu ausreicht, die Ausfließzone des Betendemisches aus den Öffnungen 35 im zweiten Teil 31 des Gehäuses 1 zu begrenzen, wie es aus Fig. 22 und 23 ersichtlich ist.

Die Herstellung eines Verdichtungspfahls mit Hilfe der erläuterten Werkzeugmodifikation erfolgt folgenderweise. Zuerst dringt das Werkzeug in den Boden auf die vorstehend beschriebene Weise imd bildet dabei das Bohrloch 45 (Fig. 24a). Die gegenseitige Anordnung der Werkzeugbauteile in diesem Arbeitsstadium ist in Fig. 19 gezeigt: Der zweite Gehäuseteil 51 stützt sich auf den Flansch 41 des Bohrgestängerohrs 2 und der dritte Gehäuseteil 32 auf den Anschlag 38, während sich die Stirnseite des Hemdes 38 auf der entsprechenden Schraubenlinie des ersten Gehäuseteils 30 einstellt. Dabei sind die im zweiten Gehäuseteil 31 vorhandenen Öffnungen 35 durch den ersten Gehäuseteil 30 verdeckt.

Danach (s. Fig. 24b) wird über das Bohrgestängerohr 2,

den Kanal 34 und die im zweiten Teil 35 des Gehäuses 1 vorhandenen Öffnungen 35 in das Bohrloch 45 das Betongemisch 46 eingebracht und zugleich mit dem Herausziehen des Werkzeugs aus dem Bohrloch 45 angefangen, welches zu dieser Zeit im Bereich seiner Mündung mit nachgefallenem Boden gefüllt sein kann. Unter der Wirkung des Drucks des Betongemisches 46 sowie der Eigenschwere verschiebt sich der zweite Gehäuseteil 31 bezüglich des ersten Gehäuseteils 30 in die in Fig. 22 gezeigte Stellung, infolgedessen die öffnungen 35 freigegeben werden, das Betongemisch 46 in das Bohrloch 45 ungehindert ausläuft und dabei den Verdichtungspfahl 47 bildet. Dank dessen, daß die Ausfließzone für Betongemisch zu dieser Zeit durch das Hemd 38 begrenzt wird, wird somit dem Gelangen von nachgefallenen Bodenteilchen in diese Zone vorgebeugt, wodurch die Qualität des hergestellten Pfahls wesentlich erhöht wird. Darüber hinaus gewährleistet der durch den nachgefallenen Boden auf den dritten Teil 32 des Gehäuses 1 entwickelte Druck einen zuverlässigen Eingriff zwischen den Vorsprüngen 42 und 44 und beugt somit dem Durchrutschen dieses Gehäuseteils bezüglich des Bohrgestängerohrs 2 vor.

Die gegebene Werkzeugmodifikation gestattet es also, ein Bohrloch zu erzeugen und zu betonieren, ohne hierzu die Bohrausrüstung auswechseln und Futterrohre zur Verfestigung der Bohrlöcher in nachgiebigen Böden verwenden zu müssen. Dadurch wird die Arbeitsproduktivität bei Durchführung von Pfahlgründungsarbeiten wesentlich erhöht.

Claims

Patentansprüche

1. Werkzeug zum Herstellen von Bohrlöchern in lockeren zusammendruckbaren Böden, enthaltend ein zur Befestigung am Bohrgestängerohr hergerichtetes Gehäuse, welches einen Kalibrierteil sowie durch Bodenverdichtungsflachen radial begrenzte gleichachsige Abschnitte mit sich in Richtung vom Kalibrierteil zu der Werkzeugspitze hin stufenweise verringernden Halbmessern aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenverdichtungsfläcne des jeweiligen Abschnittes (4-) eine Zylinderfläche ist, die durch eine zur Werkzeugachse parallel verlaufende Mantellinie ( £) vorgegebener Länge erzeugt und durch zwei gleichlaufende Schraubenlinien (■--., b) mit dem gleichen Steigungswinkel ( ZL· ) begrenzt ist, daß die Zylinderflächen aufeinanderfolgend miteinander durch Übergangsabschnitte (7) verbunden sind, die eine Zylinderfläche aufweisen, deren Mantellinie ( t ) parallel zur Werkzeugachse verläuft, sich an diese Achse gleichmäßig annähert und einen stetigen Übergang von der Oberfläche des Abschnittes (4-) des Gehäuses (1) mit größerem Halbmesser (r) zur Oberfläche des benachbarten Abschnittes (4) mit kleinerem Halbmesser (r) bildet.

530-P 89142-M-61-SdWa

-P-

2. Werkzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß benachbarte Übergangsabschnitte (7) des Gehäuses (1) entlang der zylindrischen Schraubenlinie (a, b) gegeneinander um einen Winkel von höchstens 720 versetzt sind.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß an den Zylinderflächen in der Nähe der Absätze (6) der Abschnitte (4) des Gehäuses (1) mit sich stufenweise vermindernden Halbmessern (r) und der übergangsabschnitte (7) entlang der Schraubenlinie (a, b) Bunde (8) ausgebildet sind, wobei die Radialauskragung des jeweiligen Bundes (8) die Höhe des Absatzes (6) des benachbarten Abschnittes (4-) von größerem Halbmesser nicht überschreitet.

^;l-. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Übergangsabschnitt (7) als drehbare Rolle (12) ausgebildet ist, deren Drehachse (13) zur Werkzeugachse unter einem Winkel ( /^¹) angeordnet ist, der dem Steigungswinkel ( Λ.) der die Zylinderflächen der benachbarten Abschnitte (4-) des Gehäuses (1) begrenzenden Schraubenlinie (a, b) gleich ist, so daß die jeweilige Schraubenlinie (a, b) in der Ebene der entsprechenden Stirnfläche der Rolle (12) verläuft.

5. Werkzeug nach einem der Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,

daß im Gehäuse (1) ein sich in Richtung der Werkzeugspitze (5) verjüngender Axialhohlraum (17) vorhanden ist, in dem ein Vibrator (18) zur Erzeugung von Quer-

3218

Schwingungen, ein Drehantrieb (19)ι eine mit dem Antrieb (19) gekoppelte und mit der Werkzeugachse etwa fluchtende Welle (20) sowie auf der Welle (20) mit Abstand angeordnete und sich in Verjüngungsrichtung des Hohlraums (17) vermindernde Massen aufweisende exzentrische Schwungscheiben (21) montiert sind.

6. Werkzeug nach Anspruch 5?
dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen den exzentrischen Schwungscheiben (21) Wellenlager (22) angeordnet sind, wodurch die Vibrationseinwirkung der jeweiligen exzentrischen Schwungscheibe (21) auf den Boden lokalisiert wird.

7. Werkzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Gehäuse (1) gleichachsige Abschnitte (4b) mit sich vom Kalibrierteil (3) zum Bohrgestänge (2) stufenweise verringernden Halbmessern (r) aufweist, daß die Abschnitte (4-b) durch zur Werkzeugachse parallelen Zylinderflachen von vorgegebener Länge {β)sowie durch zwei gleichlaufende Schraubenlinien (a, b) mit gleichem Steigungswinkel ( ?-) begrenzt sind, und daß diese Zylinderflächen aufeinanderfolgend durch Übergangsabschnitte (7t>) verbunden sind, welche eine Zylinderfläche aufweisen, deren Mantellinie (£ ) parallel zur Werkzeugachse verläuft, sich an diese gleichmäßig annähert und einen stetigen Übergang von der Oberfläche des Abschnitts (4-b) von größerem Halbmesser (r) zu der Oberfläche des benachbarten Abschnitts (4-b) von kleinerem Halbmesser (r) bildet.

8. Werkzeug nach Anspruch 7»
dadurch gekennzeichnet,

32Ί8995

daß ein mit dem Gehäuse (1) fluchtend angeordnetes Zusatzgehäuse (25) mit einem Axialkanal (27) zum Durchlassen eines erhärtenden flüssigen Mediums vorgesehen ist, welches einen Kalibrierteil (3) sowie gleichachsige Abschnitte (-4-) mit sich in Richtung vom Kalibrierteil (3) stufenweise verringernden Halbmessern (r) enthält, wobei die gleichachsigen Abschnitte (4-) durch mit einer zur Werkzeugachse parallel verlaufenden Mantellinie (C ) vorgegebener Länge erzeugte Zylinderflächen sowie durch zwei gleichlaufende Schraubenlinien (a, b) mit gleichem Steigungswinkel (A.) beschränkt sind, und diese Zylinderflächen miteinander aufeinanderfolgend durch Übergangsabschnitte (7) verbunden sind, welche eine Zylinderfläche aufweisen, deren Mantellinie (1) parallel zur Werkzeugachse verläuft, sich an diese gleichmäßig annähert und einen stetigen Übergang von der Oberfläche des Abschnitts (4) mit größerem Halbmesser (r) zu der Oberfläche des benachbarten Abschnitts (4) mit kleinerem Halbmesser (r) bildet, wobei das Zusatzgehäuse (25) einerseits mit dem Werkzeuggehäuse (1) durch ein hohles Übergangsstück (26) verbunden ist, das mit dem Axialkanal (27) in Verbindung steht und Durchlaßöffnungen (29) für das flüssige Medium in den Bohrlochhohlraum aufweist, wobei an seinem anderen Ende ein Abschnitt (28) zum Anbau an das Bohrgestängerohr (2) vorgesehen ist, über den das erhärtende flüssige Medium in den Axialkanal (27) und die Durchlaßöffnungen (29) in den Bohrlochhohlraum gelangt.

9. Werkzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Werkzeuggehäuse (1) zumindest zwei Teile (30, 31) auf v/eist, von denen der erste Teil (30)'mit der den größeren Halbmesser (r) aufweisenden Seite am Bohrge-

stange (2) angebaut ist sowie einen durchgehenden Axialkanal (33) und an der den kleineren Halbmesser (r) aufweisenden Seite eine ihrer Form nach dem Absatz (6) zwischen den benachbarten Abschnitten (4J ^r\es Gehäuses (1) entsprechende Stirnfläche hat, während der zweite Gehäuseteil (31) in einem Axialkanal (33) des ersten Gehäuseteils (30) längsverschiebbar eingeführt ist und einen Axialkanal (34) und Öffnungen (35) zum Durchgang des erhärtenden flüssigen Mediums enthält, wobei in dem im ersten Gehäuseteil (30) vorhandenen Axialkanal (33) Längsnuten (36) und an der Außenseite des zweiten Gehäuseteils (31) Vorsprünge (37) ausgebildet sind, die in die Längsnuten (36) derart längsverstellbar eingehen, daß sich beim Eindringen des Werkzeugs in den Boden der zweite Gehäuseteil (31) in den ersten Gehäuseteil (30) einschiebt und die Auslaßöffnungen (35) durch den ersten Gehäuseteil (30) verschließt und beim Herausziehen des Werkzeugs aus dem Bohrloch sich der zweite Gehäuseteil (31) aus dem ersten Gehäuseteil (30) herausschiebt, so daß die '!uslaßöffnungen (35) freigegeben werden und das Medium ausfließen und einen Verdichtungspfahl bilden kann.

10. Werkzeug nach A^.jpruch 9»
dadurch gekennzeichnet,

daß es einen dem ersten Gehäuseteil (30) ähnlichen, jedoch in entgegengesetzter Richtung gekehrten dritten Gehäuseteil (32), der auf das Bohrgestängerohr (2) gleitbar aufgesetzt ist und einen Abschnitt (4) mit größerem Halbmesser (r), der als Kalibrierteil (3) dient, enthält sowie mit einem sich in Richtung des ersten Teils (30) des Gehäuses (1) erstreckenden und eine ihrer Form nach dem Absatz ,(6) zwischen den benachbarten Abschnitten (4) des Gehäuses (1) entsprechende Stirnfläche aufweisenden

Hemd (38) versehen ist, wobei an der Verbindungsstelle des ersten Teils ($0) des Gehäuse (1) mit dem Bohrgestängerohr (2) eine Radialfläche mit einem Verklinkungselement (4-2), und am dritten Teil (32) des Gehäuses (1) eine Paarungsfläche mit einem entsprechenden Verklinkungselement (4-4) vorhanden ist, wodurch dem Durchdrehen des ersten und des zweiten Teils, entsprechend (30) und (31), des Gehäuses (1) bezüglich des dritten Gehäuseteils (32) beim Herausziehen des Werkzeugs aus dem Bohrloch vorgebeugt wird, ferner hat das Hemd (38) eine solche Axialausdehnung, die dazu ausreicht, die Ausfließzone des erhärtenden flüssigen Mediums aus den Auslaßöffnungen (35) im zweiten Teil (31) des Gehäuses (1) beim Herausziehen des Werkzeugs aus dem Bohrloch zu begrenzen, und am Bohrgestängerohr (2) ein Anschlag (39) befestigt ist, der den Hubweg des dritten Gehäuseteils (32) entlang des Bohrgestängerohrs (2) beim Eindringen des Werkzeugs in den Boden derweise begrenzt, daß sich die Stirnseite des Hemdes (3*'O auf der entsprechenden Schraubenlinie (a, b) einstellt.

11. Verfahren zur Erzeugung von Bohrlöchern in lockeren Böden, bei dem ein Bohrwerkzeug in den Boden eindringt, die Bohrlochwände verfestigt und anschließend gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlochwände gleichzeitig mit dem Eindringen eines Werkzeugs durch kontinuierliche Einwirkung von radial gerichteten Kräften in verschieden dicken Berührungszonen des Werkzeugs mit dem Boden verfestigt werden, wobei diese Kräfte in der jeweiligen Berührungszone auf dem Umfang des zu bildenden Bohrlochhohlraurns aufeinanderfolgend angelegt werden, so daß das Bohrloch durch eine derartige Bodenverdichtung je nach Eindringen des Werkzeugs bis auf den vorgegebenen Durchmesser erwejtert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein Vorbohrloch erzeugt wird, dessen Durchmesser den vorgegebenen unterschreitet, daß dieses Vorbohrloch mit Verfestigungsmaterial ausgefüllt wird und daß durch Ausüben von radialen Kräften auf die Bohrlochwände gleichachsig mit der Vorbohrlochachse beim Einpressen des Verfestigungsmaterials in den Boden ein Bohrloch mit vorgegebenem Durchmesser erzeugt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorbohrloch mit Verfestigungsmaterial bis auf einen Pegel von 1...1,5 ία unterhalb der Bohrlochmündung gefüllt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des Vorbohrlochs zu dem des Fertigbslirlochs etwa 0,4 bis 0,8 - beträgt. ,

15· Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung eines sich in Form eines Doppelkegels mit schraubenlinienförmigen Absätzen verjüngenden Werkzeugs bis auf die vorgegebene Teufe gebohrt wird, daß dann'in das Bohrloch der Verfestigungsstoff eingegeben und daß anschließend das Bohrwerkzeug gezogen und dabei der Verfestigungsstoff in die Bohrlochwände eingepreßt wird.

16. Verfahren nach Anspruch -15, dadurch gekennzeichnet,

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daß das Verfestigungsmaterial portionsweise eingegeben wird.

17. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Werkzeug in Form eines schraubenförmig abgestuften Doppelkegels in den Boden gleichzeitig mit dor Eingabe des Verfestigungsmaterials eindringt und nach dem Niederbringen des Bohrlochs auf die vorgegebene Teufe herausgezogen und dabei das Verfestigungsmaterial in die Bohrlochwände eingepreßt wird.

18. Vcsrfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Werkzeug nach Anspruch 8 in den Boden auf die vorgegebene Tiefe gleichzeitig mit der Eingabe des Verfestigungsmaterials und dessen Einpressen in die Bohrlochwände eindringt, wonach das Werkzeug aus dem Bohrloch herausgezogen wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Verfestigungsmaterial in den Bohrlochhohlraum zusätzlich beim Herausziehen des Werkzeugs aus dem Bohrloch eingegeben und das Einpressen dieses Verfestigungsmaterials beim Herausziehen des Werkzeugs vollzogen wird, so daß auf solche Weise eine zusätzliche Verfestigungsschicht an den Bohrlochwänden gebildet wird.