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Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und
ein Verfahren, bei denen ein Tiefenrüttler harte Bodenschichten
schneller und wirtschaftlicher durchdringen kann.
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Bei Tiefenrüttlern nach dem Stand der Technik
handelt es sich im Wesentlichen um lange, zylindrische Vorrichtungen,
welche in Schwingungen versetzt werden und den anstehenden Boden
verdrängen.
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Dabei befinden sich im Inneren der
Tiefenrüttler
Unwuchten, welche um die vertikale Achse der Tiefenrüttler gedreht
werden und dabei entstehen im Wesentlichen Schwingungen quer zur
Längsachse der
Tiefenrüttler.
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Ideale Böden für Tiefenrüttler sind verdichtungswillige
Böden mit
lockerer bis mitteldichter Lagerung, die durch die Tiefenrüttler in
eine dichtere Lagerung gebracht werden. Auf diese Weise können höhere Lasten
in den Baugrund abgetragen werden.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet sind
leicht verdrängbare,
weiche, bindige Böden
mit schlechtem Tragverhalten.
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Nach dem Verdrängen des anstehenden Bodens
werden während
des Zurückziehens
des Tiefenrüttlers
Kies, Sand, Schotter oder Mörtelmischungen
in den Boden eingebracht. Es entstehen dabei säulenförmige Körper aus dem Schüttmaterial. Über diese
Säulen
können
dann Lasten in tiefere, tragfähige
Schichten abgetragen werden.
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Eine weitere Anwendung besteht darin,
dass der locker anstehende Boden einfach nur verdichtet wird, ohne
dass zusätzliches
Schüttmaterial
eingebracht wird. In diesem Falle setzt sich das verdichtungswillige
Bodenpaket und hat anschließend
eine höhere
Lagerungsdichte.
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Leider sind die verdichtungswilligen
Böden oft
nicht auf die ganze Tiefe gleichmäßig verdichtbar, sondern der
Boden ist aufgrund von Inhomogenitäten mit härteren Schichten versehen.
So eine harte Schicht kann beispielsweise ein Planum aus Schotter sein,
das nötig
wurde, um die Befahrbarkeit der weichen Schichten zu ermöglichen.
Des weiteren sind harte Bodenschichten bekannt, welche oft nur wenige
Zentimeter stark sind. Diese harten Schichten sind z. B. stark verkittete
Kies-, Geröll-
oder Sandschichten, künstliche
Auffüllungen
mit großen
Korndurchmessern oder harte, bindige Bodenschichten, die oberflächennah
oder in größeren Tiefen
auftreten.
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Treten so harte Schichten auf, so
kann dies beim Einsatz von üblichen
Tiefenrüttlern
zu erheblichen Schwierigkeiten führen.
Zum Durchdringen von harten Schichten sind die Schwingungen, wie
sie mit den radial schwingenden Unwuchten erzeugt werden, nicht
geeignet. Die Tiefenrüttler
stehen auf diesen, wenn auch nur dünnen harten Schichten auf und es
dauert sehr lange, bis die harten Schichten überwunden sind.
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In der
EP
0672794 sind Tiefenrüttler
beschrieben, die über
Aufsatzrüttler
angetrieben werden, welche auf diese Weise im Wesentlichen achsparallel
Schwingen. Diese Rüttler
können
harte Schichten zwar leichter durchdringen, sind aber zur Verdichtung
des umgebenden Bodens weniger geeignet.
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Bei größeren Eindringtiefen zeigt
sich, dass durch Mantelreibungseftekte nur ein geringer Anteil der
Schwingungsenergie an der Spitze ankommt und dies wirkt sich negativ
auf die Eindringgeschwindigkeit aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es, durch
Einsatz einer besonderen Technik zu ermöglichen, dass die harten Schichten
wesentlich schneller durchörtert werden
können,
als es mit den bisher üblichen
Tiefenrüttlern
möglich
ist und die Vorteile der radial schwingenden Tiefenrüttler hinsichtlich
der horizontalen Verdichtungswirkung erhalten bleiben.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt nach
dem im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Tiefenrüttlers liegt
darin, dass sich im Bereich der Rüttlerspitze zwei unabhängige Rütteleinheiten
befinden. Eine Rütteleinheit
ist weitgehend identisch mit den üblichen rotierenden Unwuchten
der Tiefenrüttler,
welche Schwingungen quer zur Rüttlerlängsachse
erzeugen, und die zweite Rütteleinheit
besteht aus einer Schwingungsvorrichtung, die axiale Schwingungen,
d. h. Schwingungen in Richtung der Rüttlerlängsachse, erzeugen kann.
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1 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung
und an Hand dieser Figur wird die Erfindung erläutert: Der Tiefenrüttler besitzt
am unteren Ende des Aufsatzrohres 1 eine Rüttelspitze 2. Diese
Rüttelspitze 2 ist über einen
Schwingungsdämpfer 10,
vom Aufsatzrohr 1 abgetrennt und dieser verhindert, dass
Schwingungen von den radial drehenden Unwuchten nach oben in das
Aufsatzrohr 1 des Tiefenrüttlers übertragen werden. Ohne diesen Schwingungsdämpfer würden sich
die Schwingungen auf den Führungsmäkler bzw.
das Trägergerät übertragen
und dort zu unangenehmen oder schädigenden Schwingungen führen.
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Weiter ist die Rüttelspitze 2 mit einem
zweiten Schwingungsdämpfer 5 versehen,
welcher den Bereich mit dem radialen Schwinger 3 von dem
Bereich trennt, in dem ein axialer Schwinger 6 angeordnet
ist.
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In den Schwingungsdämpfern 5 und 10 sind Durchdringungen
angeordnet, welche die entsprechenden Zuleitungen für die Antriebseinheit 4 des
radialen Schwingers 3 und die Antriebseinheit 6 des axialen
Schwingers ermöglichen.
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Am erdseitigen Ende der Rüttlerspitze 2 befindet
sich eine Konusspitze 11, welche das Eindringen erleichtert.
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Die Antriebseinheit für den radialen
Schwinger 3 besteht dabei im Wesentlichen aus Elektromotoren
oder Motoren, die mit Gasen oder Flüssigkeiten wie ö1, Wasser
oder Luft angetrieben werden.
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Der bevorzugte Bereich der Schwingungsfrequenzen
der radialen Schwinger 3 liegt zwischen 10 Hz und 80 Hz.
Des weiteren kann es zweckmäßig sein,
dass die Frequenz kontinuierlich beim Absenken des Rüttlers geändert wird.
So kann dies von Vorteil sein, wenn bei besonders schwer zu durchdringenden
bzw. zu verdichtenden Bodenschichten Schwingungen erzeugt werden,
welche im Bereich der Eigenfrequenz des Bodens liegen. Im Bereich von
Gebäuden
sollte jedoch zweckmäßigerweise
auf Schwingungsfrequenzen im Bereich der Eigenschwingung des Bodens
verzichtet werden.
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Für
die axialen Schwinger 6 gibt es unterschiedliche Weisen
der Schwingungszeugung:
So können es schnell schlagende
Hydraulikkolben sein, wie sie von Hydraulikhämmern bekannt sind, welche
durch ihre Schläge
die Rüttelspitze 2 in
axiale Schwingungen versetzen.
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Eine andere Antriebsform entspricht
im Wesentlichen den axialen Schwingern, wie sie für Aufsatzrüttler zum
Einsatz kommen. Diese Aufsatzrüttler sind
bekannt zum Einrütteln
von Spundwänden.
In diesem Fall handelt es sich um Paare von Unwuchten, welche im
Wesentlichen um horizontale Achsen rotieren. Die Unwuchtpaare rotieren
dabei in der Regel gegenläufig
und auf diese Weise ergeben sich Schwingungen und in der Folge Kräfte in axialer Richtung
des Tiefenrüttlers.
Die bevorzugten Frequenzen der Schwingungen in axialer Richtung,
welche durch die axialen Schwinger 6 im Tiefenrüttler erzeugt
werden, liegen zwischen 1 Hz und 80 Hz. Die niedrigen Frequenzen
ergeben sich bei der Verwendung von schlagenden Massen und die Frequenzen zwischen
10 Hz und 80 Hz treten auf, wenn die Schwingungen in axialer Richtung über rotierende Unwuchtpaare
erzeugt werden.
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Die axialen Schwingungen des axialen Schwingers 6 können auch
dadurch erzeugt werden, dass Massen durch Explosionen oder Gasdruck
in axialer Richtung beschleunigt werden. Die axialen Schwingungen
des Tiefenrüttlers
können
auch auf die Weise erzeugt werden, dass eine oder mehrere Massen
mit Hilfe von komprimierter Luft beschleunigt werden und diese Massen
Schläge
in axialer Richtung auf die Rüttelspitze 2 mit
den Konusspitzen ausüben.
Diese wiederkehrenden Schläge
sind mit entsprechenden axialen Kräften verbunden, welche das Eindringen
des Tiefenrüttlers
in die harten Schichten erleichtern. Diese Massen schlagen dann
auf feste Widerlager im Tiefenrüttler
auf und in diesem Fall ergibt sich eine Wirkungsweise, wie sie von
Diesel-Rammen bekannt ist.
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Bei der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung
haben die Schwingungsdämpfer 5 und 10 eine
besondere Bedeutung. Der Schwingungsdämpfer 5 verhindert,
dass der axiale Schwinger 6 oder der radiale Schwinger 3 sich
gegenseitig beschädigen.
Die hohen Kräfte,
welche beim Lauf der einzelnen Schwinger auftreten, stellen eine
große Gefahr
für die
Lager der rotierenden Massen dar und können diese beschädigen. Der
Schwingungsdämpfer 10 bewirkt,
dass die Schwingungen, welche in der Rüttelspitze 2 erzeugt
werden, nur in stark verminderter Weise nach oben gelangen und somit
nur geringen negativen Einfluss auf das Trägergerät bzw. den Mäkler des
Trägergerätes ausüben. Durch
den Schwingungsdämpfer 10 werden
sowohl die radialen Schwingungen als auch die axialen Schwingungen
in der Rüttelspitze 2 konzentriert
in tiefere Bereiche des Bodens eingeleitet. Die Rüttelenergie
wird im Wesentlichen über
die Rüttelspitze 2 mit
ihrer verhältnismäßig kurzen
Länge in
den Baugrund eingeleitet. Dies führt
zu hoher Effektivität
und führt
gleichzeitig dazu, dass der Rüttler
leichter und schneller in den Boden eindringt. Der Schwingungsdämpfer 10 vermeidet
größere Schwingungs- und Energieverluste im
Bereich des Aufsatzrohres 1.
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Die Schwingungsdämpfer 5 und 10 bestehen im
Wesentlichen aus elastischen Stoffen mit hoher Festigkeit, welche
die Übertragung
von Schwingungen dämpfen.
Ein Hauptbestandteil der Schwingungsdämpfer sind deshalb hoch elastische
und hoch widerstandsfähige
Körper
aus Elastomeren, Gummi oder Kunststoff. Die Dauerbeständigkeit
kann dadurch verbessert werden, dass die Schwingungsdämpfer Verbundkörper aus
Elastomeren, Gummi oder Kunststoff und Stahl sind. Da die Schwingungsdämpfer 5 und 10 auch
Zug- und Druckbeanspruchungen übertragen
müssen,
kann es zweckmäßig sein,
zur Übertragung
von Zug- und Druckkräften
in die Schwingungsdämpfer
Stahlkörper
zu integrieren. Diese Stahlkörper
können
Stahlfedern sein, wie man sie von Spiralfedern oder Blattfedern
her kennt oder es kann sich um Verbundelemente handeln, bei denen
sich Stahlplatten und Gummiplatten oder Elastomerplatten bzw. Kunststoffplatten
abwechseln. Diese unterschiedlichen Elemente der Schwingungsdämpfer können entweder
durch Vulkanisation, Einpressen oder übliche Verbindungsmittel wie
Schrauben und Bolzen miteinander verbunden werden. In jedem Fall
zeichnen sich diese Schwingungsdämpfer 5 und 10 dadurch
aus, dass sie bei gleicher Last deutlich größere Verformungen mitmachen
als massive Stahlteile und auf diese Weise wird die Übertragung von
Schwingungen stark gedämpft.
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Durch die starke Verformbarkeit der
Schwingungsdämpfer 5 und 10 wird
Schwingungsenergie im Schwingungsdämpfer in Wärme und Bewegungsenergie umgewandelt
und so nur stark vermindert weitergeleitet.
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Will man zur Dämpfung von Schwingungen nur
Stahlfedern verwenden, so ist es notwendig, gerade beim Schwingungsdämpfer 10 das
Aufsatzrohr sehr schwer auszuführen,
damit auf Grund der Massenträgheit
des schweren Rohres die Schwingung über die Stahlfedern nicht in
voller Stärke
nach oben übertragen
werden können.
Diese konstruktive Lösung
mit unterschiedlich großen
Schwingmassen wird beispielsweise bei der Aufhängekonstruktion von Aufsatzrüttlern gewählt.
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Die Schwingungsdämpfer 5 und 10 enthalten Durchgänge für die Versorgungsleitungen
bzw. Zuleitungen und Steuerleitungen für die Antriebseinheiten 4 der
radialen Schwinger 3 bzw. der Antriebseinheiten für die axialen
Schwinger 6. Bevorzugterweise sind die Schwingungsdämpfer 5 und 10 mit
den Stahlteilen der Rüttlerspitze 2 über Schraubverbindungen
fixiert.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
nun unterschiedliche Verfahrensschritte ausgeführt werden. Trifft die Konusspitze 11 auf
eine harte Schicht, so wird der axiale Schwinger 6 so lange
betätigt,
bis die harte Stelle durchörtert
ist. Nach der Überwindung
der harten Stelle wird der axiale Schwinger 6 wieder ausgeschaltet
und der Tiefenrüttler
wird wieder mit den radialen Unwuchten 3 angetrieben, welche
um die Achse 7 schwingen. Die radialen Schwingungen sind
wiederum besonders geeignet, die lockeren Bereiche zu verdichten.
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Um den Eindringvorgang des Tiefenrüttlers 1 zu
beschleunigen, kann es auch zweckmäßig sein, beim Eindringen des
Rüttlers
in den Boden, sowohl den axialen Schwinger als auch den radialen
Schwinger gleichzeitig zu betätigen.
Eine weitere Ausführungsvariante
ist gegeben, wenn die beiden Schwinger im Wechselbetrieb oder sich
zeitlich überlappend angetrieben
werden. Die Verfahrensschritte und der Einsatz der unterschiedlichen
Rüttler
werden je nach Bodenart und Dicke der Schicht gewählt.
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Die radialen Schwinger 3 eignen
sich dabei besser für
die Verdichtung des seitlich anstehenden Bodens und reduzieren die
Mantelreibung beim Eindringen des Rüttlers in den Boden, während sich
die axialen Schwingungen der axialen Schwinger 6 positiv
auf eine schnellere Eindringgeschwindigkeit auswirken.
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Neben der reinen Verdichtung des
Bodens bzw. Baugrundes besteht auch die Möglichkeit, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Säulen
im Baugrund herzustellen, welche aus unterschiedlichen Füllmaterialien
bestehen.
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Die Verfüllung des Hohlraums mit Schüttgut oder
Füllmaterial
kann sowohl beim Abteufen des Tiefenrüttlers als auch beim Zurückziehen
des Tiefenrüttlers
erfolgen.
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Dazu befinden sich entweder im inneren oder
im äußeren Bereich
des Tiefenrüttlers
eine oder mehrere Rohrleitungen (in den Zeichnungen nicht dargestellt).
Diese Rohrleitungen werden vom luftseitigen Ende des Rüttlers,
d. h. der Erdoberfläche
bis zum unteren Bereich der Rüttlerspitze 2 geführt, wo sie
mit einer oder mehreren Austrittsöffnungen enden. Lockeres und
trockenes Schüttgut
werden üblicherweise
mit Hilfe von Luftförderung
nach unten gefördert.
Beim Schüttgut
handelt es sich dabei um Kiese, Sande, Schotter oder Trockenmörtelmischungen.
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Feuchte Mörtelmischungen werden bevorzugterweise
gepumpt. Dazu werden Kolbenpumpen, Schneckenpumpen oder Schlauchpumpen
verwendet. Um das Eindringen des Tiefenrüttlers in den Boden zu erleichtern,
können
von der Luftseite des Tiefenrüttlers
Spüllanzen
bis zur Konusspitze 11 geführt werden, über die
Flüssigkeiten
wie Wasser oder übliche
Spülhilfen
zugegeben werden können.
Dabei wird mit unterschiedlichen Spüldrücken gearbeitet.