EP3230531A1 - Verfahren und vorrichtungen zur baugrundverbesserung - Google Patents

Verfahren und vorrichtungen zur baugrundverbesserung

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EP3230531A1
EP3230531A1 EP15825602.4A EP15825602A EP3230531A1 EP 3230531 A1 EP3230531 A1 EP 3230531A1 EP 15825602 A EP15825602 A EP 15825602A EP 3230531 A1 EP3230531 A1 EP 3230531A1
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EP
European Patent Office
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drilling tool
hollow
ground
drilling
tool
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Maik KETTNER
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Publication of EP3230531B1 publication Critical patent/EP3230531B1/de
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    • E02D5/22—Piles
    • E02D5/34—Concrete or concrete-like piles cast in position ; Apparatus for making same
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/02—Improving by compacting
    • E02D3/046—Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil
    • E02D3/054—Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil involving penetration of the soil, e.g. vibroflotation
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/02—Improving by compacting
    • E02D3/046—Improving by compacting by tamping or vibrating, e.g. with auxiliary watering of the soil
    • E02D3/074—Vibrating apparatus operating with systems involving rotary unbalanced masses
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
    • E02D5/22—Piles
    • E02D5/56—Screw piles
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/02—Placing by driving
    • E02D7/06—Power-driven drivers

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of bored piles and a drilling tool. Furthermore, a deep vibrator and a method for displacement and solidification of a ground material are objects of the present invention.
  • the condition of the subsoil plays an important role. Especially in large and massive buildings high demands are placed on the stability or resilience of the ground. Usually a subsoil report describes the characteristics of the soil. Dead loads, payloads and climatic loads must be transmitted permanently, safely and without settlement to the subsoil. If the subsoil is not suitable to withstand the planned stresses, a technical adaptation of the properties of the subsoil to the requirements is considered.
  • the deep shaking for displacement and compaction of the ground and the production of bored piles as additional stability-promoting structural elements represent established methods.
  • One way to improve the properties of the subsoil in construction projects is to produce pile-like foundation elements in the ground, are removed through the relatively high loads can.
  • One possibility for producing pile foundations is the production of bored piles.
  • a drilling tool is drilled into the ground with the application of a vertical force and a drilling torque.
  • an additional material is introduced, which forms the bored pile.
  • the additional material can be introduced by a hollow core of the drilling tool, in this case also called hollow drilling tool, or else be filled separately into the bore.
  • the partial and full displacement drilling method is discussed. Further process characteristics are known to the person skilled in the art and are therefore not considered separately.
  • a continuous hollow auger is used. This consists of a drill pipe, which is externally provided with a spiral screw and is closed at a lower end by a foot plate.
  • Conventional hollow augers for such applications are about 3 to 50 m long and have a diameter of about 300 to 1 100 mm. Applying a vertical force and a torque, the hollow auger is sunk into the ground. The surrounding building ground is displaced and compacted at the same time. Due to the drill pipe, also known as hollow core, externally mounted worm spiral additionally takes place a promotion of ground material. If the hollow auger has penetrated into a load-bearing region of the ground, a so-called reinforcement is partially introduced into the hollow core.
  • concrete or an alternative filling material such as, for example, mortar for the displacement boring pile
  • cement or an alternative filling material such as, for example, mortar for the displacement boring pile
  • a drill pipe at the end of which a beginner bit, usually with screw flights, is mounted, is lowered into the ground by applying a vertical force and a torque.
  • Conventional full displacement drilling tools for such applications are about 3 to 50 meters long and have a diameter of about 200 to 1000 mm.
  • the tip displaces the soil almost completely in the lateral direction and thereby compresses the soil surrounding the later pile. A significant vertical soil extraction up to the earth's surface does not take place here. If the drill pipe penetrates into the load-bearing underground, partial reinforcement is introduced into the drill pipe. Subsequently, the concrete is pumped in or pumped while pulling the drill pipe.
  • the diameter of displacement bored piles is usually in the range of 200 to 1000 mm.
  • all known variants are always included in methods and corresponding tools.
  • all other known variants of drilling tools form the technological background for the invention described in this application.
  • drilling tools in which the tip can remain in the ground or in which the tip can be pulled out of the ground with the drilling tool again.
  • drilling tools in which the drilling helix is optionally provided at the tip, the drill pipe or at the tip and the drill pipe.
  • Even drilling tools without drill helix, in which the drilling torque is transferable, for example via an outer surface with corresponding friction properties on the ground, are possible.
  • any combination of these and other known variants are conceivable.
  • a frequency of the vibrations generated by conventional deep vibrators is in the range of the natural frequency of the subsoil, typically between 25 and 60 Hz.
  • the vibrations are present both as a dynamic horizontal deflection of the deep vibrator and in the form of a dynamic horizontal force from the deep vibrator the surrounding soil is exercised. Since such mechanical relationships are well known to those skilled in the art, a distinction is no longer made in the following between a force and deflection, because a force acting on a body always exerts an acceleration on this body, which is a certain deflection of the body Episode has.
  • the horizontal vibrations are thus transferred to the surrounding subsoil. If the material of the ground is compressible, the horizontal vibrations lead to a displacement and thus compaction of the subsoil in itself.
  • the compaction results in a hardening of the subsoil.
  • the so-called Rütteid jerking process a form of expression of the deep shaking method, has been described in which the deep vibrator is sunk several times and at certain distances into the ground and then withdrawn.
  • the vibrations of the deep vibrator reduce the frictional force between the subsoil grains for a short time.
  • the grains of the ground material can then move into a denser storage state as soon as the deep vibrator is withdrawn from a displaced by him area of the ground. In this way existing cavities in the ground can be reduced or completely closed.
  • Particularly coarse-grained subsoils which consist for example of coarse sand, gravel or small stones, are well suited for such compaction. Since there is a decrease in volume as a result of compaction, this must be compensated by superficial Nach sectionen material usually. The result is a solidified ground with the same height level, which is suitable to remove larger loads. Furthermore, by way of example, a further embodiment of the deep shaking method is described, the so-called shaking jaw method. It is suitable for subsoil materials with small particle sizes, such as silt or clay, as well as organic materials. In such materials, a compaction of the ground in itself is no longer possible to a sufficient extent.
  • the vibratory tamping process uses a deep vibrator in alternating steps.
  • an additional material for example, gravel or crushed stone or concrete, is introduced into the ground, which after completion has a higher rigidity than the surrounding soil.
  • the filler material exits at the tip of the deep vibrator when it is making a lifting movement.
  • the additional material at the surface of the earth is passed through a lock into the deep vibrator and guided through an external hollow core into the working depth of the deep vibrator.
  • the leaked additional material is compressed in the following on the lifting movement lowering movement of the deep vibrator and laterally displaced into the ground.
  • successive so-called Stopfklalen which are suitable in combination with the ground, to remove the loads.
  • Deep vibrators are known to the skilled person and are well known. They have a linkage that consists of a or more extension tubes. Through them, the deep vibrator can be sunk to the desired depth. In deep vibrators for Rüttelstopfvon may additionally be provided a hollow core for guiding the additional material. Via a flexible coupling, the head of the deep vibrator is connected to the linkage.
  • the head consists of an elongated housing, in the interior of which a mechanism and a drive energy source for generating horizontal oscillations are arranged.
  • the mechanism consists of a mass with eccentric center of gravity, in other words an imbalance and a bearing and a drive shaft.
  • the storage restricts the degrees of freedom of the drive shaft and imbalance to a rotational degree of freedom.
  • an electric or hydraulic motor is provided as the drive power source, which is usually operatively connected via a positive gear with the drive shaft.
  • the engine with gearbox and the mechanics together form a drive train. If the motor supplies drive energy to the drive shaft with the unbalance, this starts to rotate. At the mass with eccentric center of gravity occur dynamic centrifugal forces, which have a lateral acceleration of the entire mechanics result. The mechanics is thus put into horizontal vibrations.
  • the bearings transmit the vibrations to the housing of the deep vibrator.
  • An object of the present invention is to provide a method for producing bored piles and a corresponding drilling tool of the type mentioned for the production of holes and bored piles, wherein the drilling tool also should be simple and flexible adapted to the particular ground.
  • Another object of the invention is to provide a method for displacement and solidification of ground material and a deep vibrator of the aforementioned types, which is simple and flexible adapted to the particular ground.
  • the objects are achieved by the subject-matter having the features of independent claims 1 and 4 as well as 9, 11 and 14.
  • the subject of the present invention is a method for the production of bored piles.
  • a drilling tool is sunk in the ground, applying a Bohrmoments and a vertical force, pulled back and it is introduced a filler in the resulting bore.
  • the drilling tool as it is sunk into the ground and / or during retraction of the drilling tool, is caused to oscillate by one or more actuators, wherein a resulting oscillation amplitude has at least one horizontal component.
  • Actuators are preferably used which generate a vibration with an amplitude in the range of 0.01 mm to 5 mm, more preferably 0.02 mm to 3 mm and particularly preferably 0.03 mm to 2 mm with respect to a horizontal or radial deflection of the drilling tool .
  • An amplitude with respect to a horizontal or radial force is preferably 0.5 kN to 1000 kN, further preferably 1 kN to 700 kN and particularly preferably 25 kN to 400 kN.
  • the actuators are preferably designed as one or more independent turbomachines, more preferably as one or more pneumatic turbines, in each of which one or more imbalances are integrated.
  • the pneumatic turbines are preferably operated at speeds from 1 rpm to 100,000 rpm, more preferably 1 rpm to 50,000 rpm and particularly preferably 1 rpm to 30,000 rpm.
  • turbines with adjustable turbine blades for example, can be used.
  • means for influencing the airflow may be used, such as valves, flaps, or suitably designed housing elements of the drilling tool. Basically, those skilled in the procedures of independent operation of several turbines are known.
  • a hollow boring tool is used as a drilling tool having at least one hollow core and that the additional material is filled by the hollow core of the hollow boring tool in the bore, before and / or during and / or after retraction of the hollow boring tool.
  • a reinforcement is introduced into the hollow core of the hollow boring tool before the filler material is filled into the hollow core of the hollow boring tool.
  • Drilling tool in the context of the invention is any device with which a drilling torque, in other words a circumferential force, can be transmitted via an outer surface of the device to the surrounding ground.
  • the turbomachine is preferably operable at speeds from 1 rpm to 100,000 rpm, more preferably from 1 rpm to 50,000 rpm and particularly preferably from 1 rpm to 30,000 rpm.
  • the imbalance is preferably designed and integrated into the rotor of the turbomachine that the drilling tool is formed, in operation, a vibration having an amplitude in the range of 0.01 mm to 5 mm, more preferably 0.02 mm to 3 mm and more preferably 0.03 mm to 2 mm with respect to a horizontal or radial deflection of the drilling tool or a vibration with an amplitude with respect to a horizontal or radial force of preferably 0.5 kN to 1000 kN, more preferably 1 kN to 700 kN and more preferably 25 kN to 400 kN.
  • This offers the advantage that the turbomachine is operable at a high speed, which has a positive effect on an efficiency of the turbomachine. Further preferred embodiments of the present invention will become apparent from the features mentioned in
  • the drilling tool is provided at least in sections with a drill spiral and / or a tip with screw threads.
  • the drilling tool is a hollow boring tool, comprising at least one hollow core.
  • the at least one turbomachine is designed as at least one pneumatic turbine.
  • the pneumatic turbines are to be operable at different speeds, they may for example have adjustable turbine blades. Also means may be provided for influencing the air flow in the drilling tool, such as valves, flaps or suitably designed housing elements. In principle, it is known to the person skilled in the art how he has to design turbines or the system which provides the operating fluid, so that they can be operated at different rotational speeds.
  • At least one impeller with turbine blades is mounted on a hollow shaft, which is designed as a hollow core.
  • a further aspect of the present invention relates to a deep vibrator for displacing and solidifying a foundation material, comprising at least one rotationally movable imbalance, wherein the deep vibrator has at least one turbomachine as drive for the unbalance and wherein the at least one turbomachine comprises at least one pneumatically driven turbine.
  • the at least one pneumatically driven turbine with which at least one imbalance is operatively connected via at least one induction coupling.
  • a pneumatic turbine can be advantageously designed to be permanently operated with a maximum torque. Speed differences between turbine and imbalance can be advantageously compensated for by the induction coupling, so that no mechanical gearbox based on positive engagement is required. Frictional losses can thereby be advantageously avoided. This also leads to a reduced maintenance. From- Laying on air as operating fluid for the turbine also offers the advantage that storage and permanent treatment of the operating fluid can be dispensed with.
  • the induction clutch belongs to the class of externally actuated switchable clutches with non-positive action principle.
  • the force or torque transmission is based on the principle of a changing magnetic field, which acts on a passive electrical conductor.
  • the drive side of the clutch may generate the magnetic field and will be referred to as the active side hereinafter. Both permanent magnets and electromagnets can be used to generate the magnetic field.
  • an electric motor If an electric motor is used, it can consist of one or more electrical conductors, which can be traversed by a controllable current.
  • a physical contacting of the drive side (active side) and the output side (passive side), referred to below as the passive side does not take place in the case of induction clutches.
  • the passive side may preferably have a short-circuited electrical conductor, which is not actively supplied with an electrical voltage. If there is a speed difference between the active and the passive side, this results in a relative movement between the active and passive sides. The magnetic field generated by the active side is thus moved relative to the short-circuited conductor of the passive side. As a result, the Lorenz force acts on the short-circuited conductor whereby a torque from the drive side (active side) to the output side (passive side) of the induction coupling is transferable.
  • the torque may preferably be effected by controlling the electrical current flowing through the electrical conductor of the active drive side. Swapping the active and passive sides is also possible. It is also possible to use two active pages. These structural modifications are made independently if necessary by the skilled person.
  • the induction clutch allows operation with a permanent difference in speed between input and output side.
  • an induction clutch is used, which is designed to transmit torques of more than 1 Nm on the drive side.
  • the torque values which can be transmitted on the drive side are in the range from 5 Nm to 100 Nm, particularly preferably from 10 Nm to 40 Nm.
  • the induction clutch in the speed ranges on the drive side between 500 rev / min (revolutions per minute) and 50,000 rev / min, preferably between 10,000 rev / min and 40,000 rev / min and more preferably between 10,000 rev / min and 30,000 rev / min operated.
  • a transferable through the induction coupling mechanical power is preferably in the range of 5 kW to 200 kW, more preferably from 10 kW to 60 kW, and more preferably from 20 kW to 50 kW.
  • an induction coupling is used with permanent magnets. This offers the advantage that an active supply of the induction coupling with electrical energy can be omitted.
  • an induction coupling is used with electromagnet. This offers the advantage that the mechanical and thermal behavior of the induction coupling can be regulated via the current flow.
  • the drive side of the induction clutch in other words the side of the induction clutch facing the pneumatic turbine, is designed as a passive side and that the output side, ie the side facing the imbalance, is designed as an active side.
  • a mass of the rotationally movable unbalance between 1 kg and 200 kg, more preferably between 5 kg and 60 kg.
  • a center of gravity of the rotationally movable imbalance, with respect to an axis of rotation is preferably in a mathematical ximal radial distance to the axis of rotation. As a limiting boundary condition acts an available space.
  • the pneumatic turbine is preferably operable at speeds of 500 RPM and 50,000 RPM, preferably between 10,000 RPM and 40,000 RPM, and more preferably between 10,000 RPM and 30,000 RPM.
  • a torque which can be generated by the pneumatic turbine is preferably in the range from 1 Nm to 100 Nm, more preferably from 10 Nm to 40 Nm, particularly preferably from 15 Nm to 25 Nm.
  • a pressure difference of an air quantity which can be used for the operation of the pneumatic turbine, from a turbine inlet to a turbine outlet, is preferably between 1 bar and 30 bar, more preferably 2 bar and 20 bar and particularly preferably between 3 bar and 15 bar. This offers the advantage that the pneumatic turbine can provide high torque with high efficiency.
  • the induction clutch is formed rotational frequencies on the drive side (drive shaft) in rotational frequencies of preferably between 5 Hz and 120 Hz, more preferably between 15 Hz and 90 Hz and more preferably between 25 Hz and 60 Hz at the To convert shaft on the output side (output shaft) of the induction clutch.
  • a method for displacing and solidifying a subgrade material wherein a deep vibrator is sunk into the subsoil with the application of a vertical force and the deep vibrator is vibrated during drilling, whereby a resulting oscillation amplitude is increased. has at least one horizontal portion.
  • vibrations are generated by at least two kinematically independent rotationally moving imbalances, wherein the resulting vibration is adjustable by superimposing the individual vibrations of the independent imbalances.
  • the rotational frequencies of the respective rotationally moved imbalances are preferably between 20 Hz and 600 Hz, more preferably between 30 Hz and 500 Hz and particularly preferably between 50 Hz and 450 Hz.
  • the frequency of the resulting superposition vibration is preferably between 5 Hz and 120 Hz, particularly preferred between 15 Hz and 90 Hz, and more preferably between 25 Hz and 60 Hz.
  • a dynamic resulting centrifugal force is generated by the rotating imbalances.
  • a maximum amount of the resulting centrifugal force is preferably 25 kN to 700 kN, more preferably 50 kN to 600 kN, and particularly preferably 100 kN to 500 kN.
  • a dynamic resulting radial or horizontal deflection (amplitude) of the deep vibrator is preferably produced relative to a state outside the ground in which a free oscillation is possible, of which a maximum amount is preferably 2 mm to 40 mm, furthermore preferably 5 mm to 30 mm and particularly preferably 7 mm to 20 mm.
  • turbomachines offer particular advantages in the generation of large centrifugal forces.
  • At least one pneumatic turbine is used as the at least one turbomachine.
  • the pneumatic turbine is preferably operated at speeds from 500 rpm to 50,000 rpm, more preferably from 10,000 rpm to 40,000 rpm and particularly preferably from 10,000 rpm to 30,000 rpm.
  • a torque generated by the pneumatic turbine is preferably in the range of 1 Nm to 100 Nm, more preferably from 10 Nm to 40 Nm, and particularly preferably 15 Nm to 25 Nm.
  • turbines with adjustable turbine blades for example, can be used. It is also possible to use means for influencing the air flow, such as, for example, valves, flaps or suitably designed housing elements of the deep vibrator. Basically, those skilled in the procedures of independent operation of several turbines are known.
  • a deep vibrator for displacing and solidifying a subgrade material having one or more rotationally movable unbalances. According to the invention it is provided that the imbalances are integrated in each case an associated pneumatic turbine.
  • the imbalances are arranged in one or more impellers of the pneumatic turbine. It is also possible to arrange the imbalances in each of a shaft, in the event that all turbine stages are mounted on a separate shaft.
  • Both variants offer the advantage that a mass distribution of the imbalances is targeted and precisely interpretable. Furthermore, a decentralized arrangement of the imbalances in the turbine allows a partial conversion in order to specifically change the mass properties of the turbine or of the imbalances.
  • the pneumatic turbines are to be operable at different speeds, they may for example have adjustable turbine blades. Also means may be provided for influencing the air flow in the deep vibrator, such as valves, flaps or suitably designed housing elements. In principle, it is known to the person skilled in the art how he has to design turbines or the system which provides the operating fluid, so that they can be operated at different rotational speeds.
  • masses of the rotationally movable imbalances are in each case between 0.1 kg and 3 kg, more preferably between 0.2 kg and 2 kg.
  • a center of mass of the rotationally movable imbalance, based on a rotation axis, is preferably at a maximum radial distance from the axis of rotation. As a limiting boundary condition acts an available space.
  • the pneumatic turbines with the imbalances are preferably operable at speeds from 1 U / min to 100,000 U / min, more preferably from 1 U / min to 50,000 U / min, and most preferably from 1 U / min to 30,000 U / min. Further variants result from advantageous combination of the mentioned and the features contained in the embodiments. Furthermore, a transfer of the disclosed technical teaching to other methods and associated apparatuses for improving the mechanical subsoil properties is possible, in which the generation of horizontal vibrations brings about a specific advantage.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of a method according to the invention for
  • Figure 2 shows a preferred embodiment of a hollow boring tool according to the invention
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of a deep vibrator according to the invention with pneumatic turbine and induction clutch
  • Figure 4 shows a preferred embodiment of a method according to the invention for
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment of a deep vibrator according to the invention with two independent pneumatic turbines with integrated imbalances
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of a method according to the invention for the production of displacement bored piles in a schematic representation.
  • a hollow boring tool 47 is thereby sunk into the ground 28 by applying a drilling torque 48 about an axis of rotation R and a vertical force 50 along an axis of rotation R.
  • actuators 56 in the form of two independent pneumatic turbines 42 with integrated imbalances 76, the hollow boring tool 47, while it is sunk in the ground 28, set in vibration 58.
  • a plurality of oscillations 36 are first generated by the two rotationally moved with the turbines 42 imbalances 76.
  • the resulting oscillation 58 can be adjusted by superposition of the individual oscillations 36 of the independently rotationally moved imbalances 76.
  • a resulting oscillation amplitude has a horizontal portion 62 that is more than 95% of the total shrinkage amplitude.
  • the rotational frequencies of the two rotationally moving unbalances 76 are 200 Hz and 300 Hz, the assignment being freely selectable in a constructive embodiment.
  • a vibration 58 is generated which corresponds to a dynamic resulting centrifugal force F, which has a maximum amount of 175 kN.
  • the oscillation 58 corresponds to a dynamic radial or horizontal deflection W of the hollow boring tool 47 with a maximum amount of 0.2 mm.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a preferred embodiment of a hollow boring tool 47 according to the invention.
  • the hollow boring tool is particularly suitable for the method described in FIG.
  • the hollow drilling tool 47 is provided with a drill spiral 66 via an outer surface and has a hollow core 54.
  • the hollow boring tool 47 also has two independent pneumatic turbines 80, whose impellers 82 are mounted with turbine blades on a common longitudinal axis 78, which forms the hollow core 54.
  • the wheels 82 of the turbines 80 each have an imbalance 76 is integrated.
  • the turbines 80 are designed for a rated speed of 25,000 rpm.
  • the imbalances 76 are designed and integrated into the wheels 82 of the turbines 80 such that the hollow boring tool 47 is designed to execute an oscillation with a maximum amplitude of 0.4 mm in terms of a horizontal or radial deflection of the hollow boring tool 47, or a vibration during operation with a maximum amplitude with respect to a horizontal or radial force of 150 kN.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a preferred embodiment of a deep vibrator 10 according to the invention with a pneumatic turbine 16 and an induction coupling 18.
  • the deep vibrator 10 has a rotationally movable imbalance 12.
  • the imbalance 12 is drivable by a turbomachine, which is designed as a two-stage pneumatically driven turbine 16.
  • Two wheels 84 of the turbine 16 are arranged on a common shaft 86 with a rotation axis R.
  • One end of the shaft 86 is a drive shaft 20 for the induction clutch 18.
  • a drive side 90 of the induction clutch 18, in other words one of the pneumatic turbine 16 side facing the induction clutch 18 is designed as a passive side 94 and a driven side 92, so one of the imbalance 12 facing side, is designed as an active page 88.
  • the induction clutch 18 is designed to transmit a rated torque of 25 Nm, at a nominal speed of 20,000 RPM on the drive shaft 20 and 50 Hz on an output shaft 22.
  • a mechanical power transferable through the induction clutch 18 is in the range of 60 kW.
  • the induction coupling 18 has in the active side 88 via permanent magnets, which are designed to generate an induction magnetic field.
  • a mass of the rotationally movable imbalance 12 is 20 kg.
  • the pneumatic turbine 16 is designed for a rated speed of 20,000 rpm and a nominal torque of 25 Nm.
  • a rated power that can be provided by the pneumatic turbine 16 is 60 kW.
  • a pressure difference of a usable for the operation of the pneumatic turbine 16 air flow 100 is, from a turbine inlet 104 to a turbine outlet 102, at a nominal operating point 7 bar.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a preferred embodiment of a method according to the invention for displacing and solidifying a subgrade material.
  • the time sequence of the method steps will become apparent from the following description.
  • a deep vibrator 24 is sunk by applying a vertical force 26 in the ground 28.
  • the deep vibrator 24 is set in vibration 30 during drilling.
  • Several vibrations 36 are generated by two kinematically independent rotationally moving imbalances 38.
  • the rotational movement of the imbalances 38 is effected by two pneumatic turbines 42.
  • the resulting vibration 30 is adjustable by superposition of the individual vibrations 36 of the independent imbalances 38.
  • a resulting oscillation amplitude has a horizontal component 34 that makes up more than 95% of the total shrinkage amplitude.
  • a resulting vibration 30 is generated, which corresponds to a dynamic resulting centrifugal force F of the rotating imbalances 38 with an amount of 150 kN. Furthermore, the resulting vibration 30 corresponds to a dynamic radial or horizontal deflection W of the deep vibrator 24. A maximum amount of the resulting radial or horizontal deflection W of the deep vibrator 24 is 8 mm.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a preferred embodiment of a deep vibrator 44 according to the invention with two independent pneumatic turbines 42 with integrated imbalances 38.
  • the imbalances 38 are integrated into respectively one associated pneumatic turbine 42 or are each in an impeller 118 of the associated turbine 42 integrated.
  • the wheels 1 18 are mounted on a common axis of rotation R.
  • Masses of the rotatably movable imbalances 38 are 0.25 kg and 0.5 kg, wherein the assignment of the masses to the imbalances 38 in a structural design is arbitrary selectable.
  • a resulting mass center of gravity S of the rotationally movable Un Balances 38 is relative to the axis of rotation R in a maximum possible radial distance d, which is limited by an available space.

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen, wobei ein Bohrwerkzeug unter Aufbringung eines Bohrmoments (48) und einer Vertikalkraft (50) in einen Baugrund (28) abgeteuft wird, wieder zurückgezogen wird und ein Zusatzmaterial (52) in die entstandene Bohrung eingebracht wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bohrwerkzeug, während dieses in den Baugrund (28) abgeteuft wird und/oder während des Zurückziehens des Bohrwerkzeugs, durch einen oder mehrere Aktoren (56) in Schwingung (58) versetzt wird, wobei eine resultierende Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil (62) aufweist. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein entsprechendes Bohrwerkzeug zur Herstellung von Bohrungen oder Bohrpfählen in einem Baugrund (28). Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind ein Tiefenrüttler (10) zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials sowie ein Verfahren zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials.

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur Baugrundverbesserung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen und ein Bohrwerkzeug. Weiterhin sind ein Tiefenrüttler sowie ein Verfahren zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials Gegenstände der vorliegenden Erfindung.
Bei der Errichtung von Bauwerken kommt der Beschaffenheit des Baugrunds eine wichtige Bedeutung zu. Insbesondere bei großen und massereichen Gebäuden werden hohe Anforderungen an die Stabilität, beziehungsweise Belastbarkeit des Baugrunds gestellt. Üblicher- weise beschreibt ein Baugrundgutachten die Eigenschaften des Bodens. Eigenlasten, Nutzlasten und klimatisch bedingte Lasten müssen dauerhaft, sicher und setzungsarm auf den Baugrund übertragen werden. Ist der Baugrund nicht geeignet, den geplanten Beanspruchungen zu widerstehen, so kommt eine technische Anpassung der Eigenschaften des Baugrunds an die Anforderungen in Betracht.
Das Tiefenrütteln zur Verdrängung und Verdichtung des Baugrunds sowie das Herstellen von Bohrpfählen als zusätzliche stabilitätsfördernde Strukturelemente stellen hier etablierte Verfahren dar. Eine Möglichkeit, die Eigenschaften des Baugrunds bei Bauvorhaben zu verbessern besteht darin, pfahlartige Gründungselemente im Baugrund herzustellen, über die verhältnismäßig hohe Lasten abgetragen werden können. Eine Möglichkeit zur Herstellung von Pfahlgründungen bietet das Herstellen von Bohrpfählen. Allgemein wird bei diesem Verfahren ein Bohrwerkzeug unter Aufbringung einer Vertikalkraft und eines Bohrmoments in den Baugrund abgeteuft. In die entstandene Bohrung wird ein Zusatzmaterial eingebracht, das den Bohrpfahl ausbildet. Das Zusatzmaterial kann durch eine Hohlseele des Bohrwerkzeugs, in diesem Fall auch Hohlbohrwerkzeug genannt, eingebracht werden oder aber separat in die Bohrung gefüllt werden. Exemplarisch wird auf das Teil- und Vollverdrängungsbohrverfahren eingegangen. Weitere Verfahrensausprägungen sind dem Fachmann bekannt und werden daher nicht gesondert betrachtet.
Beim Teilverdrängungsbohrverfahren wird eine durchgehende Hohlbohrschnecke verwendet. Diese besteht aus einem Bohrrohr, das außen mit einer Schneckenwendel versehen ist und an einem unteren Ende durch eine Fußplatte verschlossen ist. Konventionelle Hohlbohrschnecken für derartige Einsatzzwecke sind etwa 3 bis 50 m lang und haben einen Durchmesser von etwa 300 bis 1 100 mm. Unter Aufbringung einer Vertikalkraft und eines Drehmoments wird die Hohlbohrschnecke in den Baugrund abgeteuft. Der umgebende Bau- grund wird verdrängt und gleichzeitig verdichtet. Durch die am Bohrrohr, auch Hohlseele genannte, außen angebrachte Schneckenwendel findet zusätzlich eine Förderung von Baugrundmaterial statt. Wenn die Hohlbohrschnecke bis in einen tragfähigen Bereich des Baugrunds vorgedrungen ist, wird teilweise eine sogenannte Bewehrung in die Hohlseele eingebracht. Anschließend wird Beton oder ein alternatives Füllmaterial wie zum Beispiel Mörtel für den Verdrängungsbohrpfahl unter gleichzeitigem Zurückziehen der Hohlbohrschnecke eingepumpt oder eingefüllt. Dabei verbleibt üblicherweise die Fußplatte im Baugrund, wenn die Bewehrung vor dem Ziehen eingebracht werden soll.
Beim Vollverdrängungsbohrverfahren wird ein Bohrrohr, an dessen Ende eine Anfängerspit- ze, üblicherweise mit Schraubengängen, angebracht ist, unter Ausübung einer Vertikalkraft und eines Drehmoments in den Boden abgeteuft. Dabei haben sich mehrere Varianten etabliert, welche sich hauptsächlich durch die Form der Bohrspitze und dem im Boden verbleibenden Teil der Spitze unterscheiden. Konventionelle Vollverdrängungsbohrwerkzeuge für derartige Einsatzzwecke sind etwa 3 bis 50 m lang und haben einen Durchmesser von etwa 200 bis 1000 mm. Die Spitze verdrängt dabei den Boden nahezu vollständig in seitlicher Richtung und verdichtet dadurch das Erdreich, das den späteren Pfahl umgibt. Eine nennenswerte vertikale Bodenförderung bis zur Erdoberfläche findet hier nicht statt. Ist das Bohrrohr bis in den tragfähigen Untergrund vorgedrungen, wird teilweise Bewehrung in das Bohrrohr eingebracht. Anschließend wird der Beton unter gleichzeitigem Ziehen des Bohrrohres eingepumpt oder geschüttet.
Der Durchmesser von Verdrängungsbohrpfählen liegt üblicherweise im Bereich von 200 bis 1000 mm. Wenn im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung von Verdrängungsbohrpfählen, Hohlbohrwerkzeugen oder allgemein Bohrwerkzeugen gesprochen wird, sind stets alle bekannten Ausführungsvarianten an Verfahren und entsprechenden Werkzeugen eingeschlossen. Neben den oben beschriebenen Varianten von Bohrwerkzeugen bilden auch alle sonstigen bekannten Varianten von Bohrwerkzeugen den technologischen Hintergrund für die in dieser Anmeldung beschriebene Erfindung. So gibt es beispielsweise Bohrwerkzeuge, bei denen die Spitze im Baugrund verbleiben kann oder bei denen die Spitze mit dem Bohrwerkzeug wieder aus dem Baugrund herausziehbar ist. Ferner gibt es Bohrwerkzeuge, bei denen die Bohrwendel wahlweise an der Spitze, dem Bohrrohr oder an der Spitze und dem Bohrrohr vorgesehen ist. Auch Bohrwerkzeuge ohne Bohrwendel, bei denen das Bohrmoment beispielsweise über eine äußere Oberfläche mit entsprechenden Reibungseigenschaften auf den Baugrund übertragbar ist, sind möglich. Ferner sind beliebige Kombinationen dieser und anderer bekannter Varianten denkbar.
Eine weitere Möglichkeit, die Eigenschaften des Baugrunds bei Bauvorhaben zu verbessern besteht in sogenannten Tiefenrüttelverfahren. Diese betreffen im Allgemeinen Verfahren zur Verdichtung und Verfestigung von Baugründen, wobei mit einem Werkzeug, einem soge- nannten Tiefenrüttler, der Baugrund verdrängt und dabei verfestigt wird. Dieses Verfahren und die zugehörigen Werkzeuge, die Tiefenrüttler, sind dem Fachmann allgemein bekannt. Der Tiefenrüttler wird dabei unter Aufbringung einer Vertikalkraft in den Untergrund abgeteuft und erzeugt während des Abteufens horizontale Schwingung. Konventionelle Tiefenrüttler für derartige Einsatzzwecke sind etwa 2 bis 5 m lang, haben einen Durchmesser von etwa 300 bis 900 mm und sind circa 1 bis 6 t schwer. Ihre Länge wird mit Aufsatzrohren an die vorgesehene Arbeitstiefe angepasst. Dabei werden die Tiefenrüttler von Kränen, Baggern oder speziell entwickelten Trägergeräten geführt. Eine Frequenz der durch konventionelle Tiefenrüttler erzeugten Schwingungen liegt im Bereich der Eigenfrequenz des Baugrundes, typischerweise zwischen 25 und 60 Hz. Die Schwingungen liegen sowohl als dynamische hori- zontale Auslenkung des Tiefenrüttlers vor, als auch in Form einer dynamischen horizontalen Kraft, die vom Tiefenrüttler auf das umliegende Erdreich ausgeübt wird. Da solche mechanischen Zusammenhänge dem Fachmann hinreichend bekannt sind, wird in Folgenden nicht mehr zwischen einer Kraft- und Auslenkungsschwingung unterschieden, denn eine Kraft, die auf einen Körper wirkt, übt auch immer eine Beschleunigung auf diesen Körper aus, was eine bestimmte Auslenkung des Körpers zur Folge hat. Die horizontalen Schwingungen übertragen sich also auf den umliegenden Baugrund. Ist das Material des Baugrunds kompressibel, führen die horizontalen Schwingungen zu einer Verdrängung und damit Verdichtung des Untergrunds in sich selbst. Aus der Verdichtung resultiert eine Verfestigung des Baugrunds. Exemplarisch wird auf das sogenannten Rütteid ruckverfahren, eine Ausprägungsform des Tiefenrüttelverfahrens, eingegangen, bei dem der Tiefenrüttler mehrfach und in bestimmten Abständen in den Baugrund abgeteuft und wieder zurückgezogen wird. Durch die Schwingungen des Tiefenrüttlers wird die Reibungskraft zwischen den Baugrundkörnern untereinan- der kurzzeitig reduziert. Infolge der Schwerkraft können die Körner des Baugrundmaterials dann in einen dichteren Lagerungszustand übergehen, sobald der Tiefenrüttler aus einem durch ihn verdrängten Bereich des Baugrunds zurückgezogen wird. Auf diese Weise können vorhandene Hohlräume im Baugrund verkleinert oder ganz geschlossen werden. Besonders grobkörnige Baugründe, die zum Beispiel aus grobem Sand, Kies oder kleinen Steinen be- stehen, eignen sich gut für eine derartige Verdichtung. Da es in Folge der Verdichtung zu einer Volumenabnahme kommt, muss diese in der Regel durch oberflächliches Nachschütten von Material ausgeglichen werden. Es ergibt sich ein verfestigter Baugrund mit gleichem Höhenniveau, der geeignet ist, größere Lasten abzutragen. Weiterhin exemplarisch wird eine weitere Ausprägungsform des Tiefenrüttelverfahrens beschrieben, das sogenannte Rüttelstopfverfahren. Es eignet sich für Baugrundmaterialien mit geringen Korngrößen, wie zum Beispiel Schluff oder Ton sowie organischen Materialien. Bei solchen Materialien ist eine Verdichtung des Baugrunds in sich selbst nicht mehr in ausreichendem Maße möglich. Beim Rüttelstopfverfahren wird mit einem Tiefenrüttler in alternie- renden Schritten gearbeitet. Mit dem in den Baugrund abgeteuften Tiefenrüttler wird ein Zusatzmaterial, zum Beispiel Kies oder Schotter oder auch Beton, in den Baugrund eingebracht, welches nach der Fertigstellung eine höhere Steifigkeit als der umgebende Boden aufweist. Das Zusatzmaterial tritt an der Spitze des Tiefenrüttlers aus, wenn dieser eine Hubbewegung ausführt. In der Regel wird das Zusatzmaterial an der Erdoberfläche durch eine Schleuse in den Tiefenrüttler gegeben und durch eine außenliegende Hohlseele in die Arbeitstiefe des Tiefenrüttlers geführt. Das ausgetretene Zusatzmaterial wird bei der auf die Hubbewegung folgenden Absenkbewegung des Tiefenrüttlers verdichtet sowie seitlich in den Baugrund verdrängt. Auf diese Weise entstehen sukzessive sogenannte Stopfsäulen, die im Verbund mit dem Baugrund geeignet sind, die Lasten abzutragen.
Im Folgenden sind, wenn von Tiefenrüttelverfahren oder Tiefenrüttlern gesprochen wird, stets alle bekannten Ausführungsvarianten eingeschlossen.
Exemplarisch wird ein konventioneller Tiefenrüttler beschrieben. Tiefenrüttler sind dem Fachmann allgemein und hinreichend bekannt. Sie weisen ein Gestänge auf, das aus einem oder mehreren Verlängerungsrohren besteht. Durch sie kann der Tiefenrüttler in die gewünschte Tiefe abgeteuft werden. Bei Tiefenrüttlern für das Rüttelstopfverfahren kann zusätzlich eine Hohlseele zur Führung des Zusatzmaterials vorgesehen sein. Über eine elastische Kupplung ist der Kopf des Tiefenrüttlers mit dem Gestänge verbundene. Der Kopf be- steht in der Regel aus einem länglichen Gehäuse, in dessen Innern eine Mechanik und ein Antriebsenergiequelle zur Erzeugung horizontaler Schwingungen angeordnet sind. Die Mechanik besteht aus einer Masse mit exzentrischem Massenschwerpunkt, mit anderen Worten einer Unwucht sowie einer Lagerung und einer Antriebswelle. Die Lagerung schränkt die Freiheitsgrade von Antriebswelle und Unwucht bis auf einen rotatorischen Freiheitsgrad ein. Bei konventionellen Tiefenrüttlern ist als Antriebsenergiequelle ein Elektro- oder Hydraulikmotor vorgesehen, der meist über ein formschlüssiges Getriebe mit der Antriebswelle wirkverbunden ist. Der Motor mit Getriebe und die Mechanik bilden zusammen einen Antriebsstrang. Liefert der Motor Antriebsenergie an die Antriebswelle mit der Unwucht, so beginnt diese zu rotieren. An der Masse mit exzentrischem Schwerpunkt treten dynamische Fliehkräfte auf, die eine Querbeschleunigung der gesamten Mechanik zur Folge haben. Die Mechanik wird also in horizontale Schwingungen versetzt. Über die Lagerung übertragen sich die Schwingungen auf das Gehäuse des Tiefenrüttlers.
Die bekannten Antriebskonzepte weisen jedoch einige Nachteile auf. So entwickeln elektri- sehe Antriebe ein hohes Maß an Abwärme. Die Systemkosten und der Wartungsaufwand werden ebenfalls negativ beeinflusst. Bei hydraulischen Antrieben besteht der Nachteil in der notwendigen Speicherung und permanenten Aufbereitung der Hydraulikflüssigkeit. Leckageverluste und Druckverluste in Rohr- und Schlauchleitungen stellen weitere negative Aspekte dar.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen und ein entsprechendes Bohrwerkzeug der eingangs genannten Gattung zur Herstellung von Bohrungen und Bohrpfählen zu liefern, wobei das Bohrwerkzeug zudem einfach aufgebaut und flexibel an den jeweiligen Baugrund anpassbar sein soll.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verdrängung und Verfestigung von Baugrundmaterial sowie einen Tiefenrüttler der eingangs genannten Gattungen zu schaffen, der einfach aufgebaut und flexibel an den jeweiligen Baugrund anpassbar ist. Die Aufgaben werden durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 sowie 9, 1 1 und 14 gelöst.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen. Ein Bohrwerkzeug wird dabei unter Aufbringung eines Bohrmoments und einer Vertikalkraft in den Baugrund abgeteuft, wieder zurückgezogen und es wird ein Zusatzmaterial in die entstandene Bohrung eingebracht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bohrwerkzeug, während dieses in den Baugrund abgeteuft wird und/oder während des Zurückziehens des Bohrwerkzeugs, durch einen oder mehrere Aktoren in Schwingung versetzt wird, wobei eine resultierende Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil aufweist.
Dies bietet den Vorteil, dass die Reibung zwischen dem Baugrund und dem Bohrwerkzeug reduziert wird und damit die Kräfte, die für eine Verdrängung und/oder Förderung des Baugrundes durch das Bohrwerkzeug erforderlich sind, reduziert werden und auf den Baugrund eine horizontal radial nach außen wirkende Kraft aufgebracht wird. Der Verschleiß des Bohrwerkzeugs wird dadurch gesenkt. Eine Verdichtung des Baugrundmaterials wird begünstigt.
Bevorzugt werden Aktoren verwendet, die eine Schwingung mit einer Amplitude im Bereich von 0,01 mm bis 5 mm, weiterhin bevorzugt 0,02 mm bis 3 mm und besonders bevorzugt 0,03 mm bis 2 mm hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Auslenkung des Bohrwerkzeugs erzeugen. Eine Amplitude hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Kraft beträgt vorzugsweise 0,5 kN bis 1000 kN, weiterhin bevorzugt 1 kN bis 700 kN und besonders bevorzugt 25 kN bis 400 kN. Dies bietet den Vorteil, dass eine seitliche Verdrängung von Baugrund nur soweit erfolgt, wie es für die Reduktion der Reibung zwischen dem Baugrund und dem Bohrwerkzeug erforderlich ist und gegebenenfalls eine stattfindende vertikale Förderung von Baugrundmaterial nicht beeinträchtigt wird. Weiterhin wird ein Energiebedarf der Aktoren vorteilhaft gering gehalten.
Bevorzugt sind die Aktoren als eine oder mehrere voneinander unabhängige Strömungsma- schinen, besonders bevorzugt als eine oder mehrere pneumatische Turbinen ausgeführt, in denen jeweils eine oder mehrere Unwuchten integriert sind.
Dies bietet die Vorteile, dass eine große Bandbreite an Betriebsfrequenzen und erzeugbaren Fliehkräften zu Verfügung steht und daher eine vergleichsweise flexible und kostengünstige Form von Aktoren verwendet wird. Die pneumatischen Turbinen werden vorzugsweise bei Drehzahlen von 1 U/min bis 100.000 U/min, besonders bevorzugt 1 U/min bis 50.000 U/min und insbesondere bevorzugt 1 U/min bis 30.000 U/min betrieben.
Wenn die pneumatischen Turbinen mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden sollen, so können zum Beispiel Turbinen mit verstellbaren Turbinenschaufeln verwendet werden. Auch können Mittel zu Beeinflussung des Luftstroms verwendet werden, wie zum Beispiel Ventile, Klappen oder geeignet gestaltete Gehäuseelemente des Bohrwerkzeugs. Grundsätzlich sind dem Fachmann Vorgehensweisen voneinander unabhängigen Betrieb mehrerer Turbinen bekannt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt. In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass als Bohrwerkzeug ein Hohlbohrwerkzeug verwendet wird, das wenigstens eine Hohlseele aufweist und dass das Zusatzmaterial durch die Hohlseele des Hohlbohrwerkzeugs in die Bohrung gefüllt wird, vor Beginn und/oder während und/oder nach dem Zurückziehen des Hohlbohrwerkzeugs.
Dies bietet den Vorteil, dass sowohl die Bohrung, als auch der Bohrpfahl in einem Arbeitsgang herstellbar sind.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Bewehrung in die Hohlseele des Hohlbohrwerkzeugs eingebracht wird, bevor das Füllmaterial in die Hohlseele des Hohlbohrwerkzeugs eingefüllt wird.
Dies bietet den Vorteil, dass der Bohrpfahl zusammen mit der Bewehrung in einem Arbeitsvorgang hergestellt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug zur Herstellung von Bohrungen oder Bohrpfählen in einem Baugrund. Die herstellbaren Bohrungen sind insbesondere geeignet für Bohrpfähle. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bohrwerkzeug wenigstens eine Strömungsmaschine aufweist, wobei in wenigstens einen Rotor der wenigs- tens einen Strömungsmaschine wenigstens eine Unwucht integriert ist und der Rotor um eine Längsachse des Bohrwerkzeugs drehbar in dem Bohrwerkzeug gelagert ist, so dass eine resultierende Schwingung erzeugbar ist, deren Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil aufweist. Bohrwerkzeug im Sinne der Erfindung ist jede Vorrichtung, mit der sich ein Bohrmoment, mit anderen Worten eine Umfangskraft, über eine äußere Oberfläche der Vorrichtung auf den umgebenen Baugrund übertragen lässt.
Dies bietet den Vorteil, dass durch entsprechende Auslegung der wenigstens einen Unwucht ein dynamisches Betriebsverhalten des Bohrwerkzeugs einstellbar ist.
Die Strömungsmaschine ist vorzugsweise bei Drehzahlen von 1 U/min bis 100.000 U/min, besonders bevorzugt von 1 U/min bis 50.000 U/min und insbesondere bevorzugt von 1 U/min bis 30.000 U/min betreibbar. Die Unwucht ist vorzugsweise derart ausgelegt und in den Rotor der Strömungsmaschine integriert, dass das Bohrwerkzeug ausgebildet ist, im Betrieb eine Schwingung mit einer Amplitude im Bereich von 0,01 mm bis 5 mm, weiterhin bevorzugt 0,02 mm bis 3 mm und besonders bevorzugt 0,03 mm bis 2 mm hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Auslenkung des Bohrwerkzeugs auszuführen beziehungsweise eine Schwingung mit einer Amplitude hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radia- len Kraft von vorzugsweise 0,5 kN bis 1000 kN, weiterhin bevorzugt 1 kN bis 700 kN und besonders bevorzugt 25 kN bis 400 kN auszuführen. Dies bietet den Vorteil, dass die Strömungsmaschine mit einer hohen Drehzahl betreibbar ist, was sich positiv auf einen Wirkungsgrad der Strömungsmaschine auswirkt. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
So ist bevorzugt vorgesehen, dass das Bohrwerkzeug zumindest abschnittsweise mit einer Bohrwendel und/oder einer Spitze mit Schraubengängen versehen ist.
Dies bietet den Vorteil, dass das Bohrwerkzeug, hinsichtlich seiner Eignung Baugrundmaterial zu fördern und/oder zu verdrängen, flexibel anpassbar ist.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Bohrwerkzeug ein Hohl- bohrwerkzeug, aufweisend wenigstens eine Hohlseele, ist. Dies bietet den Vorteil, dass mit dem Hohlbohrwerkzeug Bohrpfähle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen herstellbar sind. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die wenigstens eine Strömungsmaschine als wenigstens eine pneumatische Turbine ausgeführt ist.
Dies bietet den Vorteil, dass sehr hohe Drehzahlen erreichbar sind und die Turbine mit einem kostengünstigen und risikoarmen Arbeitsfluid betreibbar ist.
Wenn die pneumatischen Turbinen mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sein sollen, so können diese zum Beispiel verstellbare Turbinenschaufeln aufweisen. Auch können Mittel zu Beeinflussung des Luftstroms im Bohrwerkzeug vorgesehen sein, wie zum Beispiel Ventile, Klappen oder geeignet gestaltete Gehäuseelemente. Grundsätzlich ist dem Fachmann bekannt, wie er Turbinen beziehungsweise das System, das das Betriebsfluid bereitstellt, zu gestalten hat, damit diese bei unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Laufrad mit Turbinenschaufeln auf einer Hohlachse gelagert ist, die als Hohlseele ausgeführt ist.
Dies bietet den Vorteil, dass die Komplexität der Konstruktion reduziert wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Tiefenrüttler zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials, aufweisend zumindest eine rotatorisch bewegba- re Unwucht, wobei der Tiefenrüttler wenigstens eine Strömungsmaschine als Antrieb für die Unwucht aufweist und wobei die wenigstens eine Strömungsmaschine wenigstens eine pneumatisch angetriebene Turbine umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die wenigstens eine pneumatisch angetriebene Turbine, mit der zumindest einen Unwucht über zumindest eine Induktionskupplung wirkverbunden ist.
Eine pneumatische Turbine kann vorteilhaft ausgebildet sein, permanent mit einem maximalen Drehmoment betrieben werden. Drehzahlunterschiede zwischen Turbine und Unwucht sind durch die Induktionskupplung vorteilhaft ausgleichbar, so dass kein auf Formschluss beruhendes mechanisches Getriebe erforderlich ist. Reibungsverluste können dadurch vor- teilhaft vermieden werden. Dies führt auch zu einem verringerten Wartungsaufwand. Die Aus- legung auf Luft als Betriebsfluid für die Turbine bietet weiterhin den Vorteil, dass eine Speicherung und permanenten Aufbereitung des Betriebsfluids entfallen kann.
Die Induktionskupplung zählt zur Klasse der fremdbetätigten schaltbaren Kupplungen mit kraftschlüssigem Wirkprinzip. Die Kraft- beziehungsweise Momentübertragung beruht dabei auf dem Prinzip eines sich verändernden Magnetfeldes, das auf einen passiven elektrischen Leiter wirkt. Die Antriebsseite der Kupplung kann zum Beispiel das Magnetfeld erzeugen und wird im Folgenden als aktive Seite bezeichnet. Sowohl Permanentmagnete als auch Elektro- magnete können verwendet werden, um das Magnetfeld zu erzeugen. Wird ein Elektromag- net verwendet, kann dieser aus einem oder mehreren elektrischen Leitern bestehen, die von einem regelbaren Strom durchflössen werden können. Eine physische Kontaktierung der Antriebsseite (aktive Seite) und der Abtriebsseite (passive Seite), im Folgenden passive Seite genannt, findet bei Induktionskupplungen nicht statt. Die passive Seite kann bevorzugt einen in sich kurzgeschlossenen elektrischen Leiter aufweisen, der nicht aktiv mit einer elektrischen Spannung versorgt wird. Besteht eine Drehzahldifferenz zwischen aktiver und passiver Seite, resultiert daraus eine Relativbewegung zwischen der aktiven und passiven Seite. Das von der aktiven Seite erzeugte Magnetfeld wird also relativ zu dem kurzgeschlossenen Leiter der passiven Seite bewegt. Als Resultat wirkt die Lorenzkraft auf den kurzgeschlossenen Leiter wodurch ein Drehmoment von der Antriebsseite (aktive Seite) auf die Abtriebsseite (passive Seite) der Induktionskupplung übertragbar ist. Das Drehmoment kann bevorzugt durch die Regelung des elektrischen Stroms, der durch den elektrischen Leiter der aktiven Antriebseite fließt, erfolgen. Ein Vertauschen der aktiven und passiven Seite ist ebenfalls möglich. Möglich ist auch eine Verwendung von zwei aktiven Seiten. Diese konstruktiven Abwandlungen werden bei Bedarf durch den Fachmann eigenständig vorgenommen. Die Induktionskupplung ermöglicht einen Betrieb mit einer dauerhaften Drehzahldifferenz zwischen An- und Abtriebsseite.
Bevorzugt wird eine Induktionskupplung verwendet, die ausgebildet ist, Drehmomente von mehr als 1 Nm antriebsseitig zu übertragen. Bevorzugt liegen die antriebseitig übertragbaren Drehmomentwerte im Bereich von 5 Nm bis 100 Nm, besonders bevorzugt von 10 Nm bis 40 Nm. Weiterhin bevorzugt ist die Induktionskupplung in Drehzahlbereichen an der Antriebsseite zwischen 500 U/min (Umdrehungen pro Minute) und 50.000 U/min, bevorzugt zwischen 10.000 U/min und 40.000 U/min und insbesondere bevorzugt zwischen 10.000 U/min und 30.000 U/min betreibbar. Eine durch die Induktionskupplung übertragbare mechanische Leis- tung liegt bevorzugt im Bereich von 5 kW bis 200 kW, besonders bevorzugt von 10 kW bis 60 kW und insbesondere bevorzugt von 20 kW bis 50 kW.
Dies bietet den Vorteil, dass große Drehzahlunterschiede zwischen pneumatischer Turbine und rotierender Unwucht ausgeglichen werden können und gleichzeitig ein großes Drehmo- ment zum Antreiben der Unwucht zur Verfügung steht. Der Platzbedarf der Induktionskupplung bleibt dabei vorteilhaft im Bereich eines Durchmessers konventioneller Tiefenrüttler.
Bevorzugt wird eine Induktionskupplung mit Permanentmagneten verwendet. Dies bietet den Vorteil, dass eine aktive Versorgung der Induktionskupplung mit elektrischer Energie entfallen kann.
Weiterhin bevorzugt wird eine Induktionskupplung mit Elektromagnet verwendet. Dies bietet den Vorteil, dass das mechanische und thermische Verhalten der Induktionskupplung über den Stromfluss regelbar ist.
Weiterhin bevorzugt ist, dass die Antriebsseite der Induktionskupplung, mit anderen Worten die der pneumatischen Turbine zugewandte Seite der Induktionskupplung, als passive Seite ausgeführt ist und dass die Abtriebsseite, also die der Unwucht zugewandten Seite, als aktive Seite ausgeführt ist.
Dies bietet den Vorteil, dass in der passiven Seite (Antriebsseite) durch den elektrischen Stromfluss entstehende Widerstandverluste in Form von Wärme abgeführt und der pneuma- tischen Turbine zugeführt werden können.
Weiterhin bevorzugt ist eine Anordnung mehrerer in Reihe geschalteter Induktionskupplungen. Dies bietet den Vorteil, dass für eine effektive Drehmomentübertragung benötigte relative Drehzahlen zwischen An- und Abtriebsseite reduziert werden können.
Vorzugsweise beträgt eine Masse der rotatorisch bewegbaren Unwucht zwischen 1 kg und 200 kg, besonders bevorzugt zwischen 5 kg und 60 kg. Ein Massenschwerpunkt der rotato- risch bewegbaren Unwucht liegt, bezogen auf eine Rotationsachse, bevorzugt in einem ma- ximalen radialen Abstand zu der Rotationsachse. Als begrenzende Randbedingung wirkt ein zur Verfügung stehender Bauraum.
Dies bietet den Vorteil, dass durch die Rotation der Unwucht mit Drehzahlen, die mit dem Bereich der Eigenfrequenz des Baugrundes korrespondieren, ausreichend große Fliehkräfte beziehungsweise Schwingungsamplituden erzeugbar sind.
Die pneumatische Turbine ist vorzugsweise bei Drehzahlen von 500 U/min und 50.000 U/min, bevorzugt zwischen 10.000 U/min und 40.000 U/min und insbesondere bevorzugt zwischen 10.000 U/min und 30.000 U/min betreibbar. Ein von der pneumatischen Turbine erzeugbares Drehmoment liegt bevorzugt im Bereich von 1 Nm bis 100 Nm, besonders bevorzugt von 10 Nm bis 40 Nm, insbesondere bevorzugt bei 15 Nm bis 25 Nm. Eine Druckdifferenz von einer für den Betrieb der pneumatischen Turbine verwendbaren Luftmenge beträgt, von einem Turbineneintritt bis zu einem Turbinenaustritt, bevorzugt zwischen 1 bar und 30 bar, weiterhin bevorzugt 2 bar und 20 bar und besonders bevorzugt zwischen 3 bar und 15 bar. Dies bietet den Vorteil, dass die pneumatische Turbine bei hohem Wirkungsgrad ein großes Drehmoment bereitstellen kann.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale.
So ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Induktionskupplung ausgebildet ist Rotationsfrequenzen an der Antriebsseite (Antriebswelle) in Rotationsfrequenzen von vorzugsweise zwischen 5 Hz und 120 Hz, besonders bevorzugt zwischen 15 Hz und 90 Hz und insbesondere bevorzugt zwischen 25 Hz und 60 Hz an der Welle auf der Abtriebsseite (Abtriebswelle) der Induktionskupplung zu wandeln.
Dies bietet den Vorteil, dass die pneumatische Turbine permanent in einem für sie optimalen Drehzahlbereich betreibbar ist, während die Drehzahl der rotatorisch bewegbaren Unwucht im Eigenfrequenzbereich des Baugrunds angesiedelt sein kann.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials offenbart, wobei ein Tiefenrüttler unter Aufbringung einer Vertikalkraft in den Baugrund abgeteuft wird und der Tiefenrüttler während des Abteufens in Schwingung versetzt wird, wobei eine resultierende Schwingungsamplitude zu- mindest einen horizontalen Anteil aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Schwingungen durch wenigstens zwei kinematisch unabhängige rotatorisch bewegte Unwuchten erzeugt werden, wobei die resultierende Schwingung durch Überlagerung der einzelnen Schwingungen der unabhängigen Unwuchten einstellbar ist.
Dies bietet den Vorteil, dass auf die Frequenz der resultierenden Schwingung unabhängig von der Rotationsfrequenz der rotatorisch bewegten Unwuchten eingestellt werden kann und der Eigenfrequenz des Baugrunds flexibel angepasst werden kann. Bevorzugt liegen die Rotationsfrequenzen der jeweiligen rotatorisch bewegten Unwuchten zwischen 20 Hz und 600 Hz, besonders bevorzugt zwischen 30 Hz und 500 Hz und insbesondere bevorzugt zwischen 50 Hz und 450 Hz. Die Frequenz der resultierenden Überlagerungsschwingung liegt vorzugsweise zwischen 5 Hz und 120 Hz, besonders bevorzugt zwischen 15 Hz und 90 Hz und insbesondere bevorzugt zwischen 25 Hz und 60 Hz.
Dies bietet den Vorteil, dass durch die großen einzelnen Rotationsfrequenzen große Fliehkräfte erzeugt werden können und gleichzeitig die Frequenz der resultierenden Schwingung der geringeren Eigenfrequenz des Baugrunds angepasst werden kann. Weiterhin bevorzugt wird in dem Verfahren eine dynamische resultierende Fliehkraft durch die rotierenden Unwuchten erzeugt. Ein maximaler Betrag der resultierenden Fliehkraft beträgt vorzugsweise 25 kN bis 700 kN, weiterhin bevorzugt 50 kN bis 600 kN und besonders bevorzugt 100 kN bis 500 kN. Weiterhin bevorzugt wird in dem Verfahren eine dynamische resultierende radiale beziehungsweise horizontalen Auslenkung (Amplitude) des Tiefenrütt- lers bezogen auf einen Zustand außerhalb des Baugrunds, in dem eine freie Schwingung möglich ist, erzeugt, von der ein maximaler Betrag vorzugsweise 2 mm bis 40 mm, weiterhin bevorzugt 5 mm bis 30 mm und besonders bevorzugt 7 mm bis 20 mm beträgt.
Es wurde gefunden, dass diese Prozessparameter eine besonders vorteilhafte Verdichtung von in dem erfindungsgemäßen Verfahren üblicherweise bearbeiteten Baugrundmaterialien ermöglichen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die rotatorische Bewegung der Unwuchten durch wenigstens eine Strömungsmaschine bewirkt wird.
Strömungsmaschinen bieten auf Grund ihrer erreichbaren hohen Drehzahlen besondere Vor- teile bei der Erzeugung großer Fliehkräfte.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass als die wenigstens eine Strömungsmaschine wenigstens eine pneumatische Turbine verwendet wird. Die pneumatische Turbine wird vorzugsweise bei Drehzahlen von 500 U/min bis 50.000 U/min, besonders be- vorzugt von 10.000 U/min bis 40.000 U/min und insbesondere bevorzugt von 10.000 U/min bis 30.000 U/min betrieben. Ein von der pneumatischen Turbine erzeugtes Drehmoment liegt bevorzugt im Bereich 1 Nm bis 100 Nm, besonders bevorzugt von 10 Nm bis 40 Nm und insbesondere bevorzugt bei 15 Nm bis 25 Nm. Eine Druckdifferenz von einer für den Betrieb der pneumatischen Turbine verwendeten Luftmenge beträgt, von einem Turbineneintritt bis zu einem Turbinenaustritt, bevorzugt zwischen 1 bar und 30 bar, weiterhin bevorzugt zwischen 2 bar und 20 bar und besonders bevorzugt zwischen 3 bar und 15 bar.
Dies bietet den Vorteil, dass sehr hohe Drehzahlen erreicht werden und die Turbine an einem Arbeitspunkt betrieben wird an dem der Wirkungsgrad hoch ist. Weitere Vorteile ergeben sich aus einem kostengünstigen und risikoarmen Arbeitsfluid in Form von Druckluft.
Wenn die pneumatischen Turbinen mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden sollen, so können zum Beispiel Turbinen mit verstellbaren Turbinenschaufeln verwendet werden. Auch können Mittel zu Beeinflussung des Luftstroms verwendet werden, wie zum Bei- spiel Ventile, Klappen oder geeignet gestaltete Gehäuseelemente des Tiefenrüttlers. Grundsätzlich sind dem Fachmann Vorgehensweisen voneinander unabhängigen Betrieb mehrerer Turbinen bekannt.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Tiefenrüttler zur Ver- drängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials offenbart, der eine oder mehrere rotatorisch bewegbare Unwuchten aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Unwuchten in jeweils einer zugehörigen pneumatischen Turbine integriert sind.
Dies bietet den Vorteil, dass der Tiefenrüttler eine geringere Anzahl bewegter Komponenten, insbesondere relativ zueinander bewegter Komponenten aufweist. Die Systemkomplexität wird vorteilhaft reduziert.
In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Unwuchten in einem oder mehreren Laufrädern der pneumatischen Turbine angeordnet. Möglich ist auch eine Anordnung der Unwuchten in je- weils einer Welle, für den Fall, dass alle Turbinenstufen auf einer separaten Welle gelagert sind.
Beide Varianten bieten den Vorteil, dass eine Massenverteilung der Unwuchten gezielt und genau auslegbar ist. Weiterhin ermöglicht eine dezentrale Anordnung der Unwuchten in der Turbine einen partiellen Umbau, um Masseeigenschaften der Turbine beziehungsweise der Unwuchten gezielt zu verändern.
Wenn die pneumatischen Turbinen mit unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sein sollen, so können diese zum Beispiel verstellbare Turbinenschaufeln aufweisen. Auch können Mittel zu Beeinflussung des Luftstroms im Tiefenrüttler vorgesehen sein, wie zum Beispiel Ventile, Klappen oder geeignet gestaltete Gehäuseelemente. Grundsätzlich ist dem Fachmann bekannt, wie er Turbinen beziehungsweise das System, das das Betriebsfluid bereitstellt, zu gestalten hat, damit diese bei unterschiedlichen Drehzahlen betreibbar sind. Vorzugsweise betragen Massen der rotatorisch bewegbaren Unwuchten jeweils zwischen 0,1 kg und 3 kg, besonders bevorzugt zwischen 0,2 kg und 2 kg. Ein Massenschwerpunkt der rotatorisch bewegbaren Unwucht liegt, bezogen auf eine Rotationsachse bevorzugt in einem maximalen radialen Abstand zu der Rotationsachse. Als begrenzende Randbedingung wirkt ein zur Verfügung stehender Bauraum.
Dies bietet den Vorteil, dass durch die Rotation der Unwuchten mit Drehzahlen, die durch die Schwingungsüberlagerung mit dem Bereich der Eigenfrequenz des Baugrundes korrespondieren, ausreichend große Fliehkräfte beziehungsweise Schwingungsamplituden erzeugbar sind.
Die pneumatischen Turbinen mit den Unwuchten sind vorzugsweise bei Drehzahlen von 1 U/min bis 100.000 U/min, besonders bevorzugt von 1 U/min bis 50.000 U/min und insbesondere bevorzugt von 1 U/min bis 30.000 U/min betreibbar. Weitere Ausführungsvarianten ergeben sich durch vorteilhafte Kombination der genannten und der in den Ausführungsbeispielen enthaltenen Merkmale. Ferner ist eine Übertragung der offenbarten technischen Lehre auf weitere Verfahren und zugehörige Vorrichtungen zu Verbesserung der mechanischen Baugrundeigenschaften möglich, bei denen eine Erzeu- gung horizontaler Schwingungen einen spezifischen Vorteil mit sich bringt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung von Verdrängungsbohrpfählen;
Figur 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hohlbohrwerkzeugs;
Figur 3 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefenrüttlers mit pneumatischer Turbine und Induktionskupplung;
Figur 4 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials und
Figur 5 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefenrüttlers mit zwei unabhängigen pneumatischen Turbinen mit integrierten Unwuchten;
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Verdrängungsbohrpfählen in schematischer Darstellung. Die zeitliche Abfolge der Verfahrensschritte geht aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein Hohlbohrwerkzeug 47 wird dabei unter Aufbringung eines Bohrmoments 48 um eine Rotationsachse R und einer Vertikalkraft 50 entlang einer Rotationsachse R in den Baugrund 28 abgeteuft. Durch Aktoren 56 in Form von zwei voneinander unabhängigen pneumatischen Turbinen 42 mit integrierten Unwuchten 76 wird das Hohlbohrwerkzeug 47, während dieses in den Baugrund 28 abgeteuft wird, in Schwingung 58 versetzt. Dabei werden zunächst mehrere Schwingungen 36 durch die zwei rotatorisch mit den Turbinen 42 bewegten Unwuchten 76 erzeugt. Die resultierende Schwingung 58 ist durch Überlagerung der einzelnen Schwingungen 36 der unabhängig rotatorisch bewegten Unwuchten 76 einstellbar. Eine resultierende Schwingungsamplitude weist einen horizontalen Anteil 62 auf, der mehr als 95 % der gesamten Schwindungsamplitude ausmacht. Die Rotationsfrequenzen der beiden rotatorisch bewegten Unwuchten 76 betragen 200 Hz und 300 Hz, wobei die Zuordnung in einer konstruk- tiven Ausgestaltung frei wählbar ist. In dem Verfahren wird eine Schwingung 58 erzeugt, die einer dynamischen resultierenden Fliehkraft F entspricht, die einen maximalen Betrag von 175 kN aufweist. Weiterhin entspricht die Schwingung 58 einer dynamischen radialen beziehungsweise horizontalen Auslenkung W des Hohlbohrwerkzeugs 47 mit einem maximalen Betrag von 0,2 mm. Während das Hohlbohrwerkzeug 47 in den Baugrund 28 abgeteuft wird, findet eine vertikale Baugrundförderung 1 10 über eine Bohrwendel 66 statt, die außen an dem Hohlbohrwerkzeug 47 angeordnet ist. Wenn eine vorgegebene Arbeitstiefe im Baugrund 28 erreicht ist, wird ein Beton als Zusatzmaterial 52 durch eine Hohlseele 54 des Hohlbohrwerkzeugs 47 gefüllt und das Hohlbohrwerkzeug 47 dabei zurückgezogen. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hohlbohrwerkzeugs 47. Das Hohlbohrwerkzeug eignet sich insbesondere für das in Figur 1 beschriebene Verfahren. Das Hohlbohrwerkzeug 47 ist über eine äußere Oberfläche mit einer Bohrwendel 66 versehen und weist eine Hohlseele 54 auf. Das Hohlbohrwerkzeug 47 weist zudem zwei voneinander unabhängige pneumatische Turbinen 80 auf, deren Laufräder 82 mit Turbinenschaufeln auf einer gemeinsamen Längsachse 78 gelagert sind, die die Hohlseele 54 bildet. In die Laufräder 82 der Turbinen 80 ist jeweils eine Unwucht 76 integriert. Die Turbinen 80 sind auf eine Nenndrehzahl von 25.000 U/min ausgelegt. Die Unwuchten 76 sind derart ausgelegt und in die Laufräder 82 der Turbinen 80 integriert, dass das Hohlbohrwerkzeug 47 ausgebildet ist, im Betrieb eine Schwingung mit einer maximalen Amplitude von 0,4 mm hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Auslenkung des Hohlbohrwerkzeugs 47 auszuführen, beziehungsweise eine Schwingung mit einer maximalen Amplitude hinsichtlich einer horizontalen beziehungsweise radialen Kraft von 150 kN auszuführen. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefenrüttlers 10 mit pneumatischer Turbine 16 und Induktionskupplung 18. Der Tiefenrüttler 10 weist eine rotatorisch bewegbare Unwucht 12 auf. Die Unwucht 12 ist durch eine Strömungsmaschine antreibbar, die als eine zweistufige pneumatisch angetriebene Turbine 16 ausgeführt ist. Zwei Laufräder 84 der Turbine 16 sind auf einer gemeinsamen Welle 86 mit einer Rotationsachse R angeordnet. Ein Ende der Welle 86 ist eine Antriebswelle 20 für die Induktionskupplung 18. Eine Antriebsseite 90 der Induktionskupplung 18, mit anderen Worten eine der pneumatischen Turbine 16 zugewandte Seite der Induktionskupplung 18, ist als passive Seite 94 ausgeführt und eine Abtriebsseite 92, also eine der Unwucht 12 zugewandten Seite, ist als aktive Seite 88 ausgeführt. Die Induktionskupplung 18 ist aus- gebildet, ein Nenndrehmoment von 25 Nm zu übertragen, bei einer Nenndrehzahl von 20.000 U/min an der Antriebswelle 20 und 50 Hz an einer Abtriebswelle 22. Eine durch die Induktionskupplung 18 übertragbare mechanische Leistung liegt im Bereich von 60 kW. Die Induktionskupplung 18 verfügt in der aktiven Seite 88 über Permanentmagnete, die ausgebildet sind, ein Induktionsmagnetfeld zu erzeugen. Eine Masse der rotatorisch bewegbaren Un- wucht 12 beträgt 20 kg. Die pneumatische Turbine 16 ist auf eine Nenndrehzahl von 20.000 U/min und ein Nenndrehmoment von 25 Nm ausgelegt. Eine durch die pneumatische Turbine 16 bereitstellbare Nennleistung beträgt 60 kW. Eine Druckdifferenz eines für den Betrieb der pneumatischen Turbine 16 verwendbaren Luftvolumenstroms 100 beträgt, von einem Turbineneintritt 104 bis zu einem Turbinenaustritt 102, an einem Nennarbeitspunkt 7 bar.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials. Die zeitliche Abfolge der Verfahrensschritte geht aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein Tiefenrüttler 24 wird dabei unter Aufbringung einer Vertikalkraft 26 in den Baugrund 28 abgeteuft. Der Tiefenrüttler 24 wird während des Abteufens in Schwingung 30 versetzt. Mehrere Schwingungen 36 werden dabei durch zwei kinematisch unabhängige rotatorisch bewegte Unwuchten 38 erzeugt. Die rotatorische Bewegung der Unwuchten 38 wird durch zwei pneumatische Turbinen 42 bewirkt. Die resultierende Schwingung 30 ist durch Überlagerung der einzelnen Schwingungen 36 der unabhängigen Unwuchten 38 einstellbar. Eine resultie- rende Schwingungsamplitude weist einen horizontalen Anteil 34 auf, der mehr als 95 % der gesamten Schwindungsamplitude ausmacht. In dem Verfahren wird eine resultierende Schwingung 30 erzeugt, die einer dynamischen resultierenden Fliehkraft F der rotierenden Unwuchten 38 mit einem Betrag von 150 kN entspricht. Weiterhin entspricht die resultierende Schwingung 30 einer dynamischen radialen beziehungsweise horizontalen Auslenkung W des Tiefenrüttlers 24. Ein maximaler Betrag der resultierenden radialen beziehungsweise horizontalen Auslenkung W des Tiefenrüttlers 24 beträgt 8 mm.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefenrüttlers 44 mit zwei unabhängigen pneumatischen Turbinen 42 mit in- tegrierten Unwuchten 38. Die Unwuchten 38 sind in jeweils einer zugehörigen pneumatischen Turbine 42 integriert, beziehungsweise sind in jeweils einem Laufrad 1 18 der zugehörigen Turbine 42 integriert. Die Laufräder 1 18 sind auf einer gemeinsamen Rotationsachse R gelagert. Massen der rotatorisch bewegbaren Unwuchten 38 betragen 0,25 kg und 0,5 kg, wobei die Zuordnung der Massen zu den Unwuchten 38 in einer konstruktiven Ausgestaltung belie- big wählbar ist. Ein resultierender Massenschwerpunkt S der rotatorisch bewegbaren Un- wuchten 38 liegt bezogen auf die Rotationsachse R in einem maximal möglichen radialen Abstand d, der durch einen verfügbaren Bauraum begrenzt ist.
Bezugszeichenliste
10 Tiefenrüttler
12 Unwucht
16 pneumatisch angetriebene Turbine
18 Induktionskupplung
20 Antriebswelle
22 Abtriebswelle
24 Tiefenrüttler
26 Vertikalkraft
28 Baugrund
30 Schwingung
34 horizontaler Anteil
36 Schwingungen
38 Unwuchten
42 pneumatische Turbine
44 Tiefenrüttler
47 Hohlbohrwerkzeug
48 Bohrmoments
50 Vertikalkraft
52 Zusatzmaterial
54 Hohlseele
56 Aktoren
58 Schwingung
62 horizontaler Anteil
66 Bohrwendel
76 Unwucht
78 Längsachse
80 pneumatische Turbine
82 Laufräder
84 Laufräder
86 Welle
88 aktive Seite
90 Antriebsseite
92 Abtriebsseite 94 passive Seite
96 Kupplungsscheiben
100 Luftvolumenstrom
102 Turbinenaustritt
104 Turbineneintritt
110 vertikale Baugrundförderung
118 Laufrad
d radialer Abstand
F resultierende Fliehkraft
R Rotationsachse
S Massenschwerpunkt
W Auslenkung

Claims

1 Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen, wobei ein Bohrwerkzeug unter Aufbringung eines Bohrmoments (48) und einer Vertikalkraft (50) in einen Baugrund (28) abgeteuft wird, wieder zurückgezogen wird und ein Zusatzmaterial (52) in die entstandene Bohrung eingebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bohrwerkzeug, während dieses in den Baugrund (28) abgeteuft wird und/oder während des Zurückziehens des Bohrwerkzeugs, durch einen oder mehrere Aktoren (56) in Schwingung (58) versetzt wird, wobei eine resultierende Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil (62) aufweist.
2. Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Bohrwerkzeug ein Hohlbohrwerkzeug (47) verwendet wird, das wenigstens eine Hohlseele (54) aufweist und dass das Zusatzmaterial (52) durch die Hohlseele (54) des Hohlbohrwerkzeugs (47) in die Bohrung gefüllt wird, vor Beginn und/oder während und/oder nach dem Zurückziehen des Hohlbohrwerkzeugs (47).
3. Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Bewehrung in die Hohlseele (54) des Hohlbohrwerkzeugs (47) eingebracht wird, bevor das Zusatzmaterial (52) in die Hohlseele (54) des Hohlbohrwerkzeugs (47) eingefüllt wird.
4. Bohrwerkzeug zur Herstellung von Bohrungen oder Bohrpfählen in einem Baugrund (28),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bohrwerkzeug wenigstens eine Strömungsmaschine aufweist, wobei in wenigstens einen Rotor der wenigstens einen Strömungsmaschine wenigstens eine Unwucht (76) integriert ist und der Rotor um eine Längsachse (78) des Bohrwerkzeugs drehbar in dem Bohrwerkzeug gelagert ist, so dass eine resultierende Schwingung (58) erzeugbar ist, deren Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil (62) aufweist.
5. Bohrwerkzeug nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bohrwerkzeug zumindest abschnittsweise mit einer Bohrwendel (66) und/oder einer Spitze mit Schraubengängen versehen ist.
6. Bohrwerkzeug nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bohrwerkzeug ein Hohlbohrwerkzeug (47), aufweisend wenigstens eine Hohlseele (54), ist.
7. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Strömungsmaschine wenigstens eine pneumatische Turbine (80) ist.
8. Bohrwerkzeug nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Laufrad (82) mit Turbinenschaufeln auf einer Hohlachse gelagert ist, die als Hohlseele (54) ausgeführt ist.
9. Tiefenrüttler (10) zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials, aufweisend zumindest eine rotatorisch bewegbare Unwucht (12), wobei der Tiefenrüttler (10) wenigstens eine Strömungsmaschine als Antrieb für die wenigstens eine Unwucht (12) aufweist, wobei die wenigstens eine Strömungsmaschine wenigstens eine pneumatisch angetriebene Turbine (16) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine pneumatisch angetriebene Turbine (16) mit der zumindest einen Unwucht (12) über zumindest eine Induktionskupplung (18) wirkverbunden ist.
10. Tiefenrüttler (10) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Induktionskupplung (18) ausgebildet ist, Rotationsfrequenzen zwischen 500 U/min und 50000 U/min an einer Antriebswelle (20) in Rotationsfrequenzen zwischen 5 Hz und 120 Hz an einer Abtriebswelle (22) zu wandeln.
1 1. Verfahren zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials, wobei ein Tiefenrüttler (24) unter Aufbringung einer Vertikalkraft (26) in den Baugrund (28) abgeteuft wird und der Tiefenrüttler (24) während des Abteufens in Schwingung (30) versetzt wird, wobei eine resultierende Schwingungsamplitude zumindest einen horizontalen Anteil (34) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
Schwingungen (36) durch wenigstens zwei kinematisch unabhängige rotatorisch bewegte Unwuchten (38) erzeugt werden, wobei die resultierende Schwingung (30) durch Überlagerung der einzelnen Schwingungen (36) der unabhängigen Unwuchten (38) einstellbar ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die rotatorische Bewegung der Unwuchten (38) durch wenigstens eine Strömungsmaschine bewirkt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
als die wenigstens eine Strömungsmaschine wenigstens eine pneumatische Turbine (42) verwendet wird.
14. Tiefenrüttler (44) zur Verdrängung und Verfestigung eines Baugrundmaterials, aufweisend eine oder mehrere rotatorisch bewegbare Unwuchten (38),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Unwuchten (38) in jeweils einer zugehörigen pneumatischen Turbine (42) integriert sind.
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