Verfahren zur Bodenverbesserung mittels Prozesssteuerung eines Tiefenverdichters oder Rüttlers

Abstract

 Die Erfindung betrifft die interne, direkte und prozeßabhängige Steuerung des Antriebes von Tiefenverdichtern oder Rüttlern durch Erfassung der Kenngrößen der Antriebe während des Einfahrens bzw. Absenken des Rüttlers und der Verwertung der Kenngrößen und damit der Steuerung des Tiefenverdichters und Rüttlers beim Ausfahren bzw. Herausziehen. Der energetische Arbeitsaufwand des Antriebes beim Einfahren wiederspiegelt den allgemeinen Zustand des Baugrundes. Damit wird die Bodenverbesserung beim Ausfahren gesteuert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft den Verfahrensablauf zur Prozesssteuerung eines Tiefenverdichters oder Rüttlers zwecks Effektivierung des Verdichtungsvorganges bei der Erreichung einer wesentlichen Boden- bzw. Baugrundverbesserung.

[0002] Die Baugrundverbesserung durch Tiefenrütteln ist eine verbreitete und geotechnisch akzeptierte Technologie seit 70 Jahren.
Der Tiefenrüttler ist in Aufbau und Konstruktion eine Rohrkonstruktion, welche durch innere Unwuchten bewegt wird.
Es wurden "schon früh Registriergeräte eingesetzt, welche die Rüttelzeit und die Stromaufnahme des Rüttlermotors während der Arbeit aufzeichnen und vor allem auch dem Geräteführer sichtbar machen. Diese Geräte wurden dann später um die Aufzeichnung der Rütteltiefe erweitert. (Klaus Kirsch: Die Baugrundverbesserung mit Tiefenrüttlern , 40 Jahre Spezialtiefbau 1953 - 1993, Festschrift, Werner- Verlag GmbH Düsseldorf). Die Steuerung des Verdichtungsprozesses ist somit schon immer das Ziel der Verbesserungen.

[0003] Die Überprüfung von Tiefenverdichtungen in tieferen Bereichen werden durch Sondierungen (DIN 4094 und DIN 4096) erreicht. Auch die Stromaufnahme ist nach Kirsch,K. (ebenda) ein Indikator für den Verdichtungserfolg.

[0004] In der Patentschrift DE 196 28 769 C2 wird der Maschinenaufwand um externe seismische Messinstrumente und zusätzliche Sensoren am Rüttler ergänzt. Der Prozesskreislauf beginnt am Rüttler, wird extern über den Baugrund nach oben getragen, über die Messinstrumente erfasst, durch die Zugabe von Materialien und Medien variiert und nachfolgend wird die Zustandsänderung über die Sensoren abgebildet.
Die on-line Verdichtungskontrolle nach DE 199 28 692 C1 misst an Schulter und Spitze des Rüttlers über zusätzliche Amplitudenmessungen die Bewegungsabläufe. Aus der Veränderung der Amplituden des Rüttlers und des Vorlaufwinkels zur Unwucht wird in Verbindung mit dem herkömmlich gemessenen Strom auf den Verdichtungserfolg geschlossen (Professor Wolfgang Fellin, Institut für Geotechnik und Tunnelbau, Universität Innsbruck: On-Line Verdichtungskontrolle bei der Rütteldruckverdichtung, in "Bauingenieur"; Band75; September 2000).
Wesentlicher Nachteil bei dieser Lösung ist, dass die Prozeßabläufe durch zusätzliche Messinstrumente und einseitig durch die Einbeziehung des Motorstromes erfasst und beeinflusst werden sollen.
Dadurch verläuft der Verdichtungsgrad nicht optimal und es wird entweder zuviel oder zu wenig Energie in das Verdichtungsgut eingetragen und somit der vorgegebene Verdichtungsgrad nur mit einem sehr hohen Aufwand erreicht. Eine Rückkopplung zwischen der in das Verdichtungsgut eingetragenen Energie und dem dadurch erreichten Verdichtungsgrad ist - auf der Grundlage der Erfassung des aktuellen Wertes der Stromstärke nicht möglich.
Es gibt Untersuchungen zur Indizfähigkeit des Motorstromes zur Bodendichte, welche ohne Erfolg sind oder nur in Einzelfällen zutreffen.
Damit ist eine Rückkopplung zwischen dem Antrieb des Verdichters und dem dadurch erreichbaren Verdichtungsgrad nicht möglich.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, die beim Verdichtungsprozess anfallenden physikalischen Größen zu messen und nachfolgend zur Bewertung und Steuerung des Verdichtungsprozesses zu nutzen

[0006] Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0007] Nach der Konzeption der Erfindung werden zur Beschreibung des Verdichtungsprozesses alle am Antrieb und Arbeitsprozess des Rüttlers beteiligten physikalischen Kenngrößen erfasst. Ihre Zusammenfassung zu energetischen Größen in Abhängigkeit des durchfahrenen Rüttlerweges führt zu Korrelationen mit dem zu verdichtenden Boden oder Baugrund. Die beim Absenken bzw. Einfahren des Rüttlers in den Baugrund ermittelten Daten werden gespeichert und verarbeitet. Aus dem Datensatz des Einfahrens werden Richt- bzw. Steuerwerte zur zeit- und wegbezogenen Bewegung des Rüttlers beim Herausziehen bzw. Ausfahren abgeleitet, d.h. die Datensätze des Absenkprozesses sind die Steuerungswerte für den Verdichtungsprozess.
Die ermittelten Daten beschreiben die Verdichtungsenergie pro Weg des Rüttlers.

[0008] Der Arbeitsprozess wird unterteilt in zwei Hauptbewegungen:

A: Absenken (oder Einfahren) in den Baugrund und

B: Herausziehen (oder Ausfahren) und Verdichten des Baugrundes.

Mit dem Einfahren des Rüttlers (Bewegung A) in festgelegten Wegabschnitten (z.B. 25cm), werden die Daten für Zeit, Stromstärke, Weg, elektrische Spannung, Druck und Kreisgeschwindigkeiten erfasst und zu Prozessdaten für geleistete Verdichtungsarbeit W (Masseinheit in Joule, J) und Verdichtungsarbeit pro Wegabschnitt W/m (J/m) verarbeitet und wegabschnittsbezogen in einer Tabelle hinterlegt.

[0009] Die Datensätze Verdichtungsarbeit W, Verdichtungsarbeit pro Weg W/m, Kreisfrequenzdifferenz zwischen dem Rüttler-Rotor und dem Rüttlermantel ermöglichen eine Rückkopplung zwischen der in das Verdichtungsgut eingetragenen Energie und dem dadurch erreichten Verdichtunggrad.

[0010] Diese o.g. Daten korrelieren mit der Dichte des Bodens, weil unterschiedliche Bodeneigenschaften zu unterschiedlichem Lastverhalten der Rüttlerantriebe führen.

[0011] Die Prozessdaten des Einfahrvorganges werden zur weg- und zeitabhängigen Steuerung des Herausziehvorganges genutzt. Bodenbereiche mit geringen Festigkeiten werden beim Absenken erfasst. Sie benötigen geringere Verdichtungsarbeit als Bereiche mit vorhandenen hohen Dichten.
Die Steuerung der Verdichtung (Bewegung B) erfolgt auf der Grundlage der bereichsweise erfassten Daten der Bewegung A. Beim Herausziehen des Rüttlers werden bei vorgegebener Stromstärke und elektrischer Spannung die Ziehgeschwindigkeiten angepasst.

[0012] Durch die Anwendung der Erfindung ergeben sich die folgenden wesentlichen Vorteile.
Die Erfindung überwindet das technische Vorurteil, dass elektrische Gerätegrößen von Tiefenverdichtern und Rüttlern nicht zur prozessbezogenen Steuerung der Bodenverdichtung genutzt werden können.
Zur Prozeßbeurteilung werden vorhandene maschinen-technische Daten zu Aussagen von Energieaufwendungen zusammengefasst. Zusätzliche externe technische Elemente und Messgeräte sind nicht notwendig. Der Einfluß auf den Verdichtungsprozess ist einfacher und wirksamer als bei bekannten Lösungen.
Die Erfassung einzelner Daten und zusammengefasster Daten ermöglicht zusätzliche Aussagen zum lastabhängigen Verhalten. Damit ist die Vermeidung von lastabhängigen Extremwerten (z.B. Überlast) möglich.
Die dichteabhängige Steuerung ermöglicht die direkte Einflussnahme auf die Produktion. Damit wird eine Qualitätserhöhung erreicht und der Verbrauch an Energie zum Antrieb des Rüttlers optimiert. Die geotechnische Begleitung kann ergänzt und optimiert werden.

[0013] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Patentansprüche verwiesen.

[0014] Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Beispiels für einen Rüttelstopfpunkt mit mehrmaligem Ein- und Ausfahren des Rüttlers.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1:

ein Strombild zur Stromaufnahme des Verdichtungsprozesses beim ersten Einfahren des Rüttlers und

Fig. 2:

eine Darstellung der geleisteten Verdichtungsarbeit pro Wegabschnitt beim ersten Einfahren des Rüttlers.

Beispiel für einen Rüttelstopfpunkt:

[0015] Aufgabe: Der Rüttelstopfpunkt ist 54 m tief niederzubringen und nachzustopfen. Zum Nachstopfen ist der Rüttler komplett herauszuziehen und wieder abzusenken. Bei der Tiefe von 27 - 30 m ist eine stark verfestigte Schicht im Baugrund und ab 43 m ist Grundwasser vorhanden.

[0016] Der Verlauf der Stromstärke während des Prozesses wird beschrieben durch folgende Werte:

• erstes Einfahren, s. Fig. 1
     Ansteigen des Stromes von O auf 300 A innerhalb von 3 m
     Bei 9 m Tiefe kurzes Absinken auf 260 A
     Ab 37 m Tiefe bis 55 m Tiefe starke unregelmäßiges Schwanken von
     300 A nach 250 A nach 300 A nach 200 A nach 300 A auf 220 A
• erstes Ausfahren mit 300 A
• zweites Einfahren mit 200 bis 250 A
• zweites Ausfahren mit 200 bis 250 A
• drittes Einfahren mit 200 bis 250 A
• drittes Ausfahren mit 205 A

[0017] Die geleistete Verdichtungsarbeit pro Wegabschnitt in Ws/m:

• beim ersten Einfahren zeigt Fig. 2

  0 m - 7 m :

  Ansteigen der Kennziffer von 0 auf 3100 Ws/m

  7 m - 12 m:

  kurzer Abfall auf 1100 Ws/m und Anstieg auf 2100 Ws/m

  12 m- 27 m:

  starker Wechsel in 500 Ws/m - Schritten zwischen 1000 und 3000 Ws/m

  27 m-31 m:

  Anstieg von 2000 auf 7000 Ws/m

  31 m-42m:

  kurzer Abfall auf 2000 Ws/m , Starke Schwankungen in 1000 Ws/m - Schritten zwischen 1000 und 4000 Ws/m

  42m-54m:

  Kurzer Abfall auf 1100 Ws/m, Schwankungen zwischen 500 und 2000 Ws/m, Einzelspitze mit 3000 Ws/m

  54m:

  Starker, kurzer Amstieg von 1500 auf 7000 Ws/m

beim ersten Ausfahren
   54 m-38 m Wechsel zwischen 5000 und 6500 Ws/m
   38 m-37 m starkerAbfall auf 1500 Ws/m und Wiederanstieg auf 5000 Ws/m
beim zweiten Einfahren 0 m-36 m gleichmäßig mit 250 Ws/m
   37 m starker, kurzer Anstieg auf 5000 Ws/m
beim zweiten Ausfahren gleichmäßig mit 5000 Ws/m
beim dritten Einfahren 0 m-32 m gleichmäßig mit 250 Ws/m
   32 m kurzer Anstieg auf 7000 Ws/m
beim dritten Ausfahren mit 5000 Ws/m

[0018] Im Gegensatz zu den Stromverläufen zeigt die Weiterentwicklung der Prozessgröße Energie/ Weg die starke Einflußnahme des Baugrundes auf die Prozess- und Steuergrößen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Bodenverbesserung mittels Prozesssteuerung eines Tiefenverdichters oder Rüttlers zwecks Effektivierung des Verdichtungsvorganges,
dadurch gekennzeichnet, dass zur internen, direkten und prozessabhängigen Steuerung des Antriebes oder der Antriebe von Tiefenverdichtern oder Rüttlern alle wesentlichen den Antrieb und Arbeitsprozess kennzeichnenden physikalisch-energetischen Kenngrößen während des Einfahrens des Rüttlers in den Baugrund in festgelegten Wegabschnitten erfasst und als Prozessdaten für die geleistete Verdichtungsarbeit sowie Verdichtungsarbeit pro Wegabschnitt verarbeitet und als Datensatz gespeichert werden,
und
aus dem Datensatz des Einfahrens Steuerwerte zur zeit- und wegbezogenen Bewegung des Rüttlers beim Ausfahren und Verdichten des Baugrundes abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass als physikalisch-energetische Kenngrößen zur Steuerung des Arbeitsprozesses und des Verdichtungsvorganges des Rüttlers die Daten für Zeit, elektrische Stromstärke, Weg, elektrische Spannung, Druck und Kreisgeschwindigkeiten dienen.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass als physikalisch-energetische Kenngrößen zur Steuerung des Arbeitsprozesses und des Verdichtungsvorganges des Rüttlers mindestens die Daten für Weg, Zeit, Stromstärke und Spannung dienen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der physikalisch-energetischen Kenngrößen während der Einfahrbewegung des Rüttlers beispielsweise in 25 cm-Wegabschnitten erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Datensätze Verdichtungsarbeit W, Verdichtungsarbeit pro Weg W/m, Kreisfrequenzdifferenz zwischen dem Rüttler-Rotor und dem Rüttlermantel eine Rückkopplung zwischen der in das Verdichtungsgut eingetragenen Energie und dem dadurch erreichten Verdichtungsgrad ermöglichen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass beim Herausziehen des Rüttlers bei vorgegebener Stromstärke und elektrischer Spannung die Ziehgeschwindigkeiten angepasst werden.

Zeichnung