DE60303303T2

DE60303303T2 - Fallgewichtverdichtung

Info

Publication number: DE60303303T2
Application number: DE60303303T
Authority: DE
Inventors: Johnstone Eric COOK
Original assignee: Compaction Technology Soil Ltd
Current assignee: Compaction Technology Soil Ltd
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: EP1518027A1; JP2006501384A; AU2003280334B2; ATE316170T1; ES2256763T3; KR20050031072A; AU2003280334A1; DE60303303D1; WO2004003301A1; CA2490356A1; CA2490356C; EP1518027B1; BR0312311A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Verwirklichen von Fallgewichtsbodenverdichtung und für das Überwachen von Bodeneigenschaften.
Es gibt zahlreiche Anwendungen, bei denen es erforderlich ist, eine verhältnismäßig kleine Bodenfläche zu verdichten, wo aber die Verwendung herkömmlicher Bodenverdichtungsmaschinen, welche üblicherweise Walzen der einen oder anderen Art einsetzen, ungeeignet ist. Ein wichtiges Beispiel ist die Verdichtung von Boden neben Brückenstützpfeilern, wo beschränkter Raum das Verdichten mit herkömmlichen großen Walzen oder anderen Maschinen unmöglich macht. Ein weiteres Beispiel findet sich bei der Verdichtung von Boden in verhältnismäßig engen Gräben für Rohre, Streifenfundamenten oder dergleichen. Ein noch weiteres Beispiel findet sich in der Straßeninstandhaltung, wo ein lokaler Schaden eines Straßenabschnitts in einer verhältnismäßig kleinen Fläche eingetreten sein kann.
Kleine Vibrationswalzen und Stoßverdichter sind zwar erhältlich und werden in solchen Anwendungen verbreitet eingesetzt, doch ist das Maß an Bodenverdichtung und die Tiefe der Verdichtungswirkung, die mit solchen Geräten verwirklicht werden können, beschränkt. Das Ergebnis ist häufig, dass nach einer verhältnismäßig kurzen Zeit unzulässiges Setzen und/oder Konstruktionsschaden eintreten kann.
Es wurde vorgeschlagen, Fallgewichtsbodenverdichtung zur Verwirklichung von Bodenverdichtungen bei der Art von oben vorausgesehenen Situationen zu einzusetzen. Bei der Fallgewichtsverdichtung wird eine beträchtliche Masse wiederholt angehoben und fallen gelassen, um Stöße auf die Bodenfläche für die Zwecke ihrer Verdichtung auszuüben. Weitere Einzelheiten zu einem bekannten Fallgewichtbodenverdichter können zum Beispiel WO 00/28154 entnommen werden.
Zwar sind die Grundsätze der Fallgewichtsbodenverdichtung vernünftig, doch besteht die Meinung, dass eine größere Steuerung des Verdichtungsprozesses erforderlich ist, damit diese Art von Verdichtungstechnologie ihr volles Potenzial erreichen kann.
GB-A-2366819 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Überwachen des Verdichtungsgrads während der Bodenbehandlung
ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach dem beigefügten Anspruch 1 wird ein Verfahren für das Verdichten von Boden an die Hand gegeben, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: das wiederholte Anheben einer Masse über der Bodenoberfläche und dann deren Fallenlassen, um Stöße auf die Bodenoberfläche auszuüben, wobei von den Stößen auf die Bodenoberfläche regelmäßig Hinweise auf eine oder mehrere momentane Eigenschaften des Bodens abgeleitet werden, sowie Steuern der Anzahl nachfolgender Stöße und/oder der bei jedem Stoß auf den Boden ausgeübten Energie und/oder der Häufigkeit der Stöße gemäß der angezeigten Eigenschaft bzw. den angezeigten Eigenschaften, um im Boden eine oder mehrere vorbestimmte Eigenschaften zu verwirklichen.
Die momentanen Eigenschaften, die für Hinweise regelmäßig abgeleitet werden, können zum Beispiel mechanische Eigenschaften wie die Steifheit oder die Stabilität des Bodens oder dessen Tragfähigkeit einschließen. Alternativ können regelmäßig Hinweise einer Eigenschaft wie gesamtes oder schrittweises Setzen des Bodens abgeleitet werden.
Es wird ein Steuermittel verwendet, um einen oder mehrere der obigen Parameter automatisch zu verändern, um die vorbestimmte mechanische Eigenschaft bzw. die vorbestimmten mechanischen Eigenschaften zu verwirklichen. Das Steuermittel umfasst eine programmierbare Verknüpfungssteuerung, die mit einer oder mehreren zu erreichenden vorbestimmten mechanischen Eigenschaften vorprogrammiert ist.
Der Masse ist ein Sensor zugeordnet, um die notwendigen Hinweise zu liefern, wobei die Ausgabe des Sensors dem Steuermittel zugeführt wird. Dieser Sensor kann zum Beispiel ein Beschleunigungsmesser sein, der so ausgelegt ist, dass er die Abbremsung der Masse bei jedem Aufprall überwacht, und der so ausgelegt ist, dass er Signale, die zum Beispiel mit der momentanen Steifheit des Bodens in Verbindung stehen, an das Steuermittel ausgibt.
Nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach dem beigefügten Anspruch 6 wird eine Vorrichtung zur Bodenverdichtung an die Hand gegeben, welche umfasst:

– einen Fallgewichtsbodenverdichter mit einer Masse und Mittel für das wiederholte Anheben der Masse über der Bodenoberfläche und dann das Fallenlassen derselben, um auf die Bodenoberfläche Stöße auszuüben;
– ein so ausgelegtes Überwachungsmittel, dass es regelmäßige Hinweise auf eine oder mehrere momentane Eigenschaften des Bodens liefert; und
– auf die von dem Überwachungsmittel gelieferten Hinweise ansprechendes Steuermittel zum Steuern der Anzahl nachfolgender Stöße und/oder der auf den Boden bei jedem Stoß ausgeübten Energie und/oder der Häufigkeit der Stöße, um dadurch im Boden eine oder mehrere vorbestimmte Bodeneigenschaften zu verwirklichen.

Wie bereits hingewiesen, umfasst das Steuermittel eine programmierbare Verknüpfungssteuerung, die mit einer oder mit mehreren vorbestimmten Bodeneigenschaften vorprogrammiert ist, deren Verwirklichung wünschenswert ist, und die so ausgelegt ist, dass sie eine oder mehrere der oben aufgeführten veränderlichen Parameter steuert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch eine Positionsüberwachung enthalten, üblicherweise ein globales Positionsbestimmungssystem, die mit dem Steuermittel verbunden ist, um dem Steuermittel die Ausübung der Steuerung der Verdichtung des Bodens gemäß einem geographischen Plan zu ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf einem Fahrzeug angebracht sein und kann von einer Transportausrichtung, in der sie auf dem Fahrzeug befördert wird, zu einer Arbeitsposition, in der sie sich neben dem Fahrzeug befindet_; bewegbar sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei zeigen:
1 eine Seitenansicht einer auf einem Fahrzeug angebrachten erfindungsgemäßen Fallgewichtsbodenverdichtungsvorrichtung, wobei sich die Vorrichtung in einer Arbeitsausrichtung befindet; und
2 eine perspektivische Ansicht der in 1 ersichtlichen Vorrichtung.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Die Zeichnungen zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fallgewichtsbodenverdichtung 10. In dieser Ausführung ist die Vorrichtung 10 an dem Fahrwerk 12 eines Lastwagen 14 angebracht, es versteht sich aber, dass die Vorrichtung gleichermaßen an einem von einem Lastwagen oder einer Zugmaschine gezogenen Fahrzeuganhängerfahrwerk oder auf einem auf Gleisen fahrenden Eigenantriebfahrzeug oder -anhänger angebracht sein könnte.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen Rahmen 16, der zur Verschiebebewegung von Seite zu Seite auf einem sich seitlich erstreckenden Querbalken 18 angebracht ist, der an dem hinteren Ende des Lastwagens 14 an einem Schwenkpunkt 20 drehbar gelagert ist. Der Rahmen 16 umfasst ein Paar aufrechter Stützelemente 22, die ein nach hinten gerichtetes Tragelement 26 stützen. Das hintere Ende des Elements 26 ist senkrecht über einer Verdichtungsmasse 28 angeordnet, und ein Hydraulikzylinder 30 wirkt wie dargestellt zwischen dem Tragelement 26 und der Masse. Von der Masse erstrecken sich senkrecht Führungsstangen 32, die in Führungszylindern 34 gleiten, die mit den Elementen 22 durch Schrägsteifen 35 verbunden ist.
Ein mit den Stützelemente 22 verbundener Bügel 36 greift gleitend mit dem Querbalken 18, um die oben erwähnte Verschiebebewegung des Rahmens von Seite zu Seite zu verwirklichen. Die Vorrichtung umfasst einen (nicht dargestellten) Antrieb für das Antreiben des Rahmens 16 von Seite zu Seite. Der Antrieb könnte eine beliebige einer Reihe herkömmlicher Formen annehmen. Er kann zum Beispiel ein Kettenantrieb sein, wovon mindestens einige Komponenten in dem Bügel 36 und/oder an dem Querbalken 18 angebracht sind.
Der Fallgewichtsbodenverdichter wird bei einer Arbeitsausrichtung gezeigt, wobei die Masse 28 auf dem Boden ruht. Der Verdichter arbeitet bei dieser Ausrichtung während Bodenverdichtungsarbeiten. Wenn der Verdichter von einem Ort zu einem anderen transportiert werden soll, werden zwischen von dem Querbalken 18 vorstehenden Vorsprüngen 40 und dem Fahrwerk 12 wirkende Hydraulikzylinder 38 zusammengezogen, um den Rahmen 16 in eine geneigte, im Allgemeinen horizontale Ausrichtung am Fahrwerk zu schwenken.
Bei Einsatz wird der Boden unter der Masse 28 durch wiederholtes Anheben der Masse, durch Zusammenziehen des Zylinders 30 und dann Fallenlassen der Masse zur Ausübung von Stößen auf die Bodenoberfläche verdichtet.
An der Masse 28 ist ein Beschleunigungsmesser 42 befestigt, dessen Ausgabe einer programmierbaren Verknüpfungssteuerung 44 übermittelt wird. Die programmierbare Verknüpfungssteuerung wird in 1 schematisch als ferne Komponente gezeigt, es versteht sich aber, dass die programmierbare Verknüpfungssteuerung und andere Zusatzgeräte in der Praxis einen integralen Teil der Vorrichtung selbst bilden.
Wenn die Masse auf den Boden aufprallt, liefert die von ihr erfahrene, von dem Beschleunigungsmesser gemessene Abbremsung einen Hinaus auf die momentane Steifheit des Bodens und dies liefert wiederum einen zuverlässigen Echtzeit-Hinweis auf das Maß der Bodenverdichtung. In diesem Beispiel ist die programmierbare Verknüpfungssteuerung so vorprogrammiert, dass die Vorrichtung im Boden ein vorbestimmtes Maß an Bodensteifheit verwirklicht. Die programmierbare Verknüpfungssteuerung steuert wiederum automatisch verschiedene Parameter des Verdichtungsvorgangs. Die programmierbare Verknüpfungssteuerung kann zum Beispiel die auf den Boden bei jedem Stoß ausgeübte Stoßenergie steuern. Dies wird durch Verändern der Höhe, auf welche die Masse für jeden Schlag angehoben wird, und dementsprechend der gespeicherten und zur Übertragung auf den Boden verfügbaren potenziellen Energie, durch Steuern des Hydraulikbetriebs des Zylinders 30 und/oder mittels geeigneter Massepositionssensoren zur Erfassung der Position der Masse verwirklicht.
Zum Beispiel kann die ausgeübte Stoßenergie durch die programmierbare Verknüpfungssteuerung so gesteuert werden, dass sie eine Anzahl von Stößen lang den gleichen Wert hat, dann für eine folgende Reihe von Stößen einen anderen Wert hat usw. Alternativ kann die Stoßenergie von Stoß zu Stoß verändert werden oder der gleiche Energiewert kann über den ganzen Verdichtungsvorgang beibehalten werden.
Die programmierbare Verknüpfungssteuerung kann auch entsprechend ihrem Programm die Anzahl der auf den Boden ausgeübten Schläge steuern. Als noch weitere Möglichkeit kann die programmierbare Verknüpfungssteuerung die Häufigkeit der Stöße steuern, in diesem Fall durch Verändern der Dauer jedes Stoßzyklus und/oder durch Verändern der zwischen Zyklen verstrichenen Zeit. Wenngleich dies nicht eigens erwähnt wird, können auch andere veränderbare Parameter unmittelbar durch die programmierbare Verknüpfungssteuerung gesteuert werden.
In den Zeichnungen bezeichnet die Ziffer 50 eine biegsame Kabelpritsche, die signalübermittelnde Leitungsführungen und/oder Hydraulikschläuche für den Zylinder 30 und dessen Zusatzgeräte wie Hydraulikpumpen usw. trägt. Es versteht sich auch, dass in der Praxis ein (nicht dargestelltes) Hydraulikaggregat an dem Fahrwerk angebracht ist.
In der Praxis kann die oben beschriebene Bodenverdichtungsvorrichtung zum Verdichten von Boden an verschiedenen Stellen eines Geländes oder zum Verdichten des gesamten Geländes eingesetzt werden. Es versteht sich, dass das Fahrzeug auf dem Gelände von einem Ort zum anderen gefahren werden kann, um das Verwenden der Bodenverdichtungsvorrichtung zur Verdichtung verschiedener Bereiche des Geländes zu ermöglichen. An jedem stationären Ort des Fahrzeugs kann die Vorrichtung zur Verdichtung eines begrenzten Bodenstreifens verwendet werden, wobei dies durch die Fähigkeit des Rahmens 16, sich an dem Querbalken 18 von Seite zu Seite zu bewegen, und durch die Manövrierfähigkeit des Fahrzeugs möglich wird.
Die oben beschriebene Vorrichtung zur Bodenverdichtung kann auch mit einem Positionsbestimmungssystem, üblicherweise einem GPS (einem globalen Positionsbestimmungssystem, verbunden werden, so dass Hinweise auf Bodensteifheit mit geographischer Position korreliert werden können. Dies ermöglicht wiederum das Ableiten eines Geländeplans, der Echtzeitinformationen bezüglich der Bodenverdichtungswerte an verschiedenen Stellen auf dem Gelände liefert. Es versteht sich, dass integrierte Informationen bezüglich geographischer Position und Bodenverdichtungsgrad digital gespeichert und/oder graphisch dargestellt werden können, um eine im Wesentlichen vollständige Analyse des Zustands der Bodenverdichtung geländeweit oder auf ausgewählten Bereichen desselben bereitzustellen.
Zwar wurde das Verdichten von Bodenbereichen eines Geländes erwähnt, doch sind die Prinzipien der Erfindung gleichermaßen auf die Verdichtung einzelner, kleiner Flächen anwendbar, bei denen ein spezifisches Maß an Verdichtung erforderlich ist. Ein typisches Beispiel wäre hier die Bodenverdichtung neben einer feststehenden Konstruktion, beispielsweise einem Brückenstützpfeiler oder Gebäude.
Wenngleich die Überwachung der Bodensteifheit und das Verändern der Betriebsparameter zur Verwirklichung eines erwünschten Maßes an Bodensteifheit eigens erwähnt wurden, liegt es auch im Schutzumfang der Erfindung, dass die Vorrichtung eine Vielzahl anderer Bodeneigenschaften überwacht und die Betriebsparameter steuert, um eine oder mehrere bestimmte, erwünschte Eigenschaften zu verwirklichen. Die Vorrichtung könnte so ausgelegt werden, dass sie eine oder mehrere einer Reihe anderer mechanischer Bodeneigenschaften außer der Steifheit überwacht, zum Beispiel die Bodenstabilität und/oder die Tragfähigkeit, und dass sie die Betriebsparameter so steuert, dass die erwünschten Eigenschaften verwirklicht werden. Des Weiteren könnte die Vorrichtung so ausgelegt werden, dass sie eine Bodeneigenschaft, wie ein gesamtes Setzen des Bodens zu jedem Zeitpunkt oder ein schrittweises Setzen des Bodens, überwacht, d.h. den Betrag des Setzens des Bodens in einem vorgegebenen Zeitraum oder infolge eines oder mehrerer Schläge.
Anstelle eines Beschleunigungsmessers zur Überwachung einer bestimmten Bodeneigenschaft, in dem obigen Beispiel der Bodensteifheit, könnte auch eine beliebige andere geeignete Form von Sensor verwendet werden. Andere brauchbare Formen von Sensoren umfassen einen Geschwindigkeitssensor zum Messen der Geschwindigkeit der Masse während des Stoßes, einen Wegaufnehmer, beispielsweise einen Wegmessumformer, zum Messen des Setzens des Bodens oder einen Kraftaufnehmer oder Druckmessumformer zum Messen der von der Masse bei Aufprall auf die Bodenoberfläche ausgeübten Kraft bzw. des dabei ausgeübten Drucks.
Wie bereits erwähnt können die Prinzipien der Erfindung nicht nur dazu genutzt werden, Bodenverdichtung zu verwirklichen und zu steuern, sondern auch um momentane Bodeneigenschaften eines Geländes zu messen. In dieser Funktion kann die oben beschriebene Vorrichtung so ausgelegt werden, dass sie die Masse 28 nur einmal pro Stelle des Geländes anhebt und fallen lässt, an der eine Messung momentaner Bodeneigenschaften erforderlich ist. Die Überwachungsgeräte, einschließlich Beschleunigungsmesser und/oder Messumformer, die oben beschrieben wurden, werden dann so ausgelegt, dass sie an jeder solchen Stelle eine Messung einer ausgewählten Bodeneigenschaft liefern, beispielsweise der Steifheit, des Setzens usw. Wie bei der oben beschriebenen Vorrichtung kann die Vorrichtung in dieser Funktion mit einem geographischen Positionsbestimmungssystem wie einem GPS verbunden wurden, um dadurch Messungen der Bodeneigenschaft für verschiedene Geländestellen zu liefern. Die auf diese Weise erhaltenen Informationen können mit geeigneten Signalverarbeitungsgeräten und zugehöriger Software in Form einer Karte, mit Konturen oder anderweitig, oder in Tabellenform vorgelegt werden. Diese Anwendung kann zum Beispiel durch Bodeningenieure genutzt werden, um sie bei der Ausübung von Geländezertifizierungsfunktionen zu unterstützen.

Claims

Verfahren für das Verdichten von Boden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: das wiederholte Anheben einer Masse über der Bodenoberfläche und dann deren Fallenlassen, um Stöße auf die Bodenoberfläche auszuüben, wobei von den Stößen auf die Bodenoberfläche regelmäßig Hinweise auf eine oder mehrere momentane Eigenschaften des Bodens abgeleitet werden, sowie Steuern der Anzahl nachfolgender Stöße und/oder der bei jedem Stoß auf den Boden ausgeübten Energie und/oder der Häufigkeit der Stöße gemäß der angezeigten Eigenschaft bzw. den angezeigten Eigenschaften, wobei der Masse ein Sensor (42) zugeordnet ist, um die regelmäßigen Hinweise zu liefern, und die Ausgabe des Sensors einem Steuermittel übermittelt wird, das eine programmierbare Verknüpfungssteuerung (44) umfasst, die mit einer oder mit mehreren zu erreichenden vorbestimmten Bodeneigenschaften vorprogrammiert ist, wobei die programmierbare Verknüpfungssteuerung so arbeitet, dass sie automatisch einen oder mehrere der Anzahl von Stößen und/oder die bei jedem Stoß auf den Boden ausgeübte Energie und/oder die Häufigkeit der Stöße zur Verwirklichung der vorbestimmten Bodeneigenschaft bzw. Bodeneigenschaften verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinweise regelmäßig von momentanen mechanischen oder physikalischen Eigenschaften des Bodens abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Eigenschaften des Bodens eines oder mehrere von Steifheit des Bodens, Stabilität des Bodens oder Tragfähigkeit des Bodens umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinweise regelmäßig aus einem gesamten oder schrittweisen Setzen des Bodens abgeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (42) ein der Masse zugeordneter und so ausgelegter Beschleunigungsmesser ist, dass er Signale, die mit der Abbremsung der Masse bei jedem Aufprall verbunden sind, an die programmierbare Verknüpfungssteuerung (44) ausgibt.
Vorrichtung für das Verdichten von Boden, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: einen Fallgewichtsbodenverdichter mit einer Masse (28) und Mittel für das wiederholte Anheben der Masse über der Bodenoberfläche und dann deren Fallenlassen, um Stöße auf die Bodenoberfläche auszuüben; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner ein Steuermittel in Form einer programmierbaren Verknüpfungssteuerung (44), die mit einer oder mit mehreren vorbestimmten Bodeneigenschaften vorprogrammiert ist, deren Verwirklichung erwünscht ist, sowie einen der Masse zugeordneten Sensor (42) zum Liefern regelmäßiger Hinweise auf eine oder auf mehrere momentane Eigenschaften des Bodens umfasst, wobei die programmierbare Verknüpfungssteuerung so ausgelegt ist, dass sie auf die von dem Sensor gelieferten Hinweise anspricht und die Anzahl nachfolgender Stöße und/oder die bei jedem Stoß auf den Boden ausgeübte Energie und/oder die Häufigkeit der Stöße steuert, um dadurch die eine oder mehrere vorbestimmte Bodeneigenschaften im Boden zu verwirklichen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, welche weiterhin eine geographische Positionsüberwachung umfasst, die mit der programmierbaren Verknüpfungssteuerung (44) verbunden ist, um das Steuermittel Kontrolle über die Verdichtung des Bodens entsprechend einem geographischen Plan ausüben zu lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geographische Positionsüberwachung ein globales Positionsbestimmungssystem ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (42) ein so ausgelegter Beschleunigungsmesser ist, dass er Signale, die mit der Abbremsung der Masse bei jedem Aufprall verbunden sind, an die programmierbare Verknüpfungssteuerung (44) ausgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, welche auf einem Fahrzeug angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung von einer Transportausrichtung, in der sie auf dem Fahrzeug befördert wird, zu einer Arbeitsausrichtung, in der sie neben dem Fahrzeug angeordnet ist, bewegbar ist.