Verdrängerbohrer sowie Verfahren für dessen Gebrauch

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug und ein Verfahren zum Verdrängungsbohren im Boden. Am unteren Ende eines Bohrstranges (20) ist ein Verdrängerkopf (40) lösbar befestigt, welcher beim Einbringen in den Boden umgebendes Bodenmaterial verdrängt. Bei Erreichen einer vorgegebenen Tiefe wird der Bohrstrang vom Verdrängerkopf gelöst. Das untere Ende des Bohrstranges ist als ein Verdrängerbereich (30) ausgebildet, welcher gegenüber dem angrenzenden Bohrstrangbereich aufgeweitet ist. Durch den aufgeweiteten Verdrängerbereich wird von oben kommendes Bodenmaterial beim Zurückziehen in die Bohrlochwandung verdrängt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft zum einen ein Bohrwerkzeug zum Verdrängungsbohren im Boden, mit einem Bohrstrang, an dessen unterem Ende ein Verdrängerkopf lösbar befestigt ist. Zum anderen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verdrängungsbohren im Boden, bei dem ein Verdrängerkopf, welcher an einem unteren Ende eines Bohrstranges lösbar befestigt ist, unter Verdrängung von Bodenmaterial in den Boden bis zu einer vorgesehenen Tiefe eingebracht wird, in welcher der Bohrstrang vom Verdrängerkopf gelöst und aus dem Boden zurückgezogen wird.

[0002] Ein derartiges Verfahren ist auch als Verdrängungsbohren mit verlorenem Verdrängerkopf bekannt. Der Verdrängerkopf verbleibt dabei im Boden und bildet die Aufstandsfläche für eine darüber hergestellte Beton- oder Stabilisierungssäule. Hierzu wird nach dem Zurückziehen des Bohrstranges in das erzeugte Bohrloch Beton oder ein anderes Füllgut eingeleitet.

[0003] Bei diesem bekannten Verfahren besteht das Problem, dass bei bestimmten Bodenverhältnissen keine stabile Bohrlochwandung erzeugt wird. Das heißt, Bodenmaterial kann vor dem Befüllen des erzeugten Bohrloches von der Bohrlochwandung nach unten fallen. Dieses Bodenmaterial stellt in der zu erzeugenden Beton- oder Stabilisierungssäule Fehlstellen dar, welche die Tragfähigkeit der erzeugten Säule beeinträchtigen.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug und ein Verfahren zum Verdrängungsbohren im Boden anzugeben, mit welchen Bohrlöcher mit einer besonders stabilen Bohrlochwandung erzeugt werden können.

[0005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß zum einen durch ein Bohrwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0006] Das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des Bohrstranges als ein Verdrängerbereich ausgebildet ist, welcher gegenüber dem angrenzenden Bohrstrangbereich aufweitet ist. Nach dem Lösen des Verdrängerkopfes kann somit der am unteren Ende des Bohrstranges ausgebildete aufgeweitete Verdrängerbereich nochmals zur Glättung der Bohrlochwandung beim Zurückziehen des Bohrstranges beitragen. Insbesondere kann durch den Verdrängerbereich von oben nachfallendes Bodenmaterial in die Bohrlochwandung verdrängt werden. Hierdurch wird einerseits verhindert, dass sich unerwünschtes Bodenmaterial im zu verfüllenden Hohlraum des Bohrloches ansammelt. Andererseits führt das zusätzliche Verdrängen von Bodenmaterial in die Bohrlochwandung beim Zurückziehen des Bohrstranges zu einer zusätzlichen Verdichtung und Verfestigung und damit Stabilisierung der Bohrlochwandung.

[0007] Der Verdrängerbereich kann grundsätzlich verschiedene Formen, etwa eine rein konische oder eine ballige Form, aufweisen. Erfindungsgemäß ist es jedoch bevorzugt, dass der Verdrängerbereich ein zylindrisches Segment aufweist, welches allmählich, insbesondere konisch, in den angrenzenden Bohrstrangbereich übergeht. Ein zylindrisches Segment lässt sich fertigungstechnisch besonders kostengünstig verwirklichen. Zudem wird über die gesamte Länge des Zylindersegmentes eine gleichmäßige Verdrängungswirkung erzielt. Neben einer rein konischen Form des Übergangsbereiches zum Verdrängerbereich kann auch ein anderer stetiger kurvenförmiger Verlauf, etwa bogenförmig oder viertelkreisförmig, vorgesehen sein.

[0008] Für eine gute Verdrängerwirkung ist es erfindungsgemäß, dass der Verdrängerkopf eine Außenwendel aufweist. Der Verdrängerkopf kann hierdurch in den Boden eingeschraubt werden, wodurch sich eine besonders gute Verdrängungswirkung erzielen lässt. Der Verdrängerkopf kann nicht nur aus Stahl sondern auch aus Kunststoff, Faserbeton oder einem anderen geeigneten Material sein.

[0009] Nach der Erfindung ist es von Vorteil, das der Verdrängerbereich am Bohrstrang einen Außendurchmesser aufweist, welcher gleich oder kleiner als der Außendurchmesser der Außenwendel des Verdrängerkopfes ist. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des Verdrängerbereiches um bis zu 10 bis 20 % kleiner als der Außendurchmesser der Außenwendel. Auch bei diesem Untermaß wird eine gute Glättung und Verdichtung der Bohrlochwandung erzeugt, welche aufgrund der Einschraubbewegung des Verdrängerkopfes Ungleichmäßigkeiten aufweist. Eine besonders gute Verdichtungswirkung wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass der Außendurchmesser des Verdrängerbereiches etwa dem Außendurchmesser der Außenwendel des Verdrängerkopfes entspricht.

[0010] Eine weitere Verbesserung der Verdichtungswirkung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass an dem Bohrstrangbereich, welcher an den Verdrängerbereich angrenzt, eine Bohrstrangwendel ausgebildet ist. Durch diese Bohrstrangwendel kann von oben nachfallendes Material bei einer entsprechenden Drehbewegung des Bohrstranges gezielt in den Verdrängerbereich gefördert werden.

[0011] Weiter ist es nach der Erfindung bevorzugt, dass die Bohrstrangwendel entgegengesetzt zur Außenwendel des Verdrängerkopfes gewunden ist. Auf diese Weise kann bei einer entgegengesetzten Drehung des Bohrstranges beim Zurückziehen gegenüber dem Eindringvorgang die gewünschte Förderwirkung zum Verdrängerbereich erzielt werden.

[0012] Zur Erzeugung besonders stabiler Gründungssäulen im Boden ist es erfindungsgemäß, dass an dem Verdrängerkopf Armierungselemente befestigbar sind. Dies können Stahlseile oder Metallstangen sein, welche beispielsweise in einer Betonsäule eine Armierung darstellen.

[0013] Zum Verfüllen des erzeugten Bohrloches ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass der Bohrstrang zum Einleiten eines Füllgutes rohrförmig ausgebildet ist. Somit kann das Füllgut durch den inneren Hohlraum bereits beim Zurückziehen des Bohrstranges eingefüllt werden, so dass hierdurch eine Abstützung der Bohrlochwandung erreicht wird.

[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende des Bohrstranges ein Verdrängerbereich ausgebildet ist, mit welchem beim Zurückziehen des Bohrstranges von oben kommendes Bohrmaterial seitlich verdrängt wird. Mit diesem Verfahren lassen sich die vorbeschriebenen Vorteile einer stabilen Bohrlochwandung erreichen.

[0015] Zur Erzeugung des Bohrloches ist es bevorzugt, dass an dem Verdrängerkopf eine Außenwendel ausgebildet ist, wobei der Bohrstrang beim Einbringen in den Boden in eine Richtung gedreht wird, in welcher die Außenwendel Bodenmaterial seitlich und nach oben fördert. Der Verdrängerkopf erfüllt somit die wesentliche Verdichtungswirkung beim Eindrehen in den Boden.

[0016] Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Verdrängerkopf durch Drehen in entgegengesetzte Richtung und/oder durch Aktivieren einer Löseeinrichtung vom Bohrstrang gelöst wird. Im ersteren Fall kann eine einfache Schraubverbindung zwischen dem Verdrängerkopf und dem Bohrstrang bestehen. Es kann jedoch auch eine andere Verbindungseinrichtung, etwa ein Bajonettverschluss oder eine Löseeinrichtung mit einem mechanisch oder elektrisch zu verstellenden Sperrelement bestehen, welches ein zuverlässiges Lösen des Verdrängerkopfes vom Bohrstrang erlaubt.

[0017] Eine zusätzliche Verdichtung wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass an dem Bohrstrangbereich, welcher an den Verdrängerbereich angrenzt, eine Bohrstrangwendel ausgebildet ist, wobei beim Zurückziehen der Bohrstrang in eine Richtung gedreht wird, in welcher die Bohrstrangwendel von oben kommen des Bodenmaterial in den Verdrängerbereich fördert. Hierbei kann von oben kommen des Bodenmaterial auch in einen relativ engen Spalt zwischen den Verdrängerbereich und der Bohrlochwandung gepresst werden.

[0018] Zur Herstellung armierter Säulen im Boden ist es erfindungsgemäß, dass beim Zurückziehen Armierungselemente, welche am Verdrängerkopf befestigt sind, mit nach oben geführt werden.

[0019] Weiter ist es bevorzugt, dass das erzeugte Bohrloch beim Zurückziehen des Bohrstranges mit einem Füllgut verfüllt wird. Auf diese Weise wird die Bohrlochwandung jederzeit durch das Bohrwerkzeug oder das Füllgut selbst zuverlässig abgestützt.

[0020] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, welches schematisch in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist.

[0021] Die einzige Zeichnung zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges 10.

[0022] Das Bohrwerkzeug 10 weist zum Verdrängungsbohren einen konischen Verdrängerkopf 40 auf, an dessen Außenseite eine Außenwendel 42 ausgebildet ist. Zum Verbinden mit einem Bohrstrang 20 sind an der Oberseite des Verdrängerkopfes 40 zapfenförmige Mitnehmer 44 ausgebildet, welche in entsprechende Ausnehmungen 34 am unteren Ende des Bohrstranges 20 eingreifen.

[0023] Der rohrförmig ausgebildete Bohrstrang 20 weist an seinem unteren Ende einen aufgeweiteten Verdrängerbereich 30 auf, welcher über einen Konus 32 in einen angrenzenden Bohrstrangbereich 22 mit einem im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser übergeht. Am Außenumfang des Bohrstrangbereiches 22 ist eine Bohrstrangwendel 24 ausgebildet, deren maximaler Außendurchmesser etwa dem Außendurchmesser des aufgeweiteten zylindrisch ausgebildeten Verdrängerbereiches 30 entspricht. Die Bohrstrangwendel 24 erstreckt sich bis zu dem zylindrischen Bereich des Verdrängerkopfes 30 und läuft im Abschnitt des Konus 32 allmählich aus.

[0024] Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Verdrängerkopf 40 in seinem oberen Bereich einen Grundzylinder 46 mit einem Außendurchmesser auf, welcher dem Außendurchmesser des Verdrängerbereichs 30 entspricht. Die demgegenüber vorstehenden Außenwendeln 42 des Verdrängerkopfes 40 erzeugen beim Verdrängungsbohren eine Störzone in der Bohrlochwandung. Nach dem Lösen vom Verdrängerkopf 40 bei einer vorgesehenen Endtiefe des Bohrloches wird der Bohrstrang 20 bei entgegengesetzter Drehung langsam aus dem Bohrloch gezogen. Von oben nachfallendes Bodenmaterial aus der Störzone der Bohrlochwandung wird über die Bohrstrangwendel 24 nach unten zum Verdrängerbereich 30 gefördert. Aufgrund des Außendurchmessers des Verdrängerbereichs 30 wird das Bodenmaterial in die Bohrlochwandung, insbesondere in die Störzone der Bohrlochwandung, verdrängt. Hierdurch wird die Bohrlochwandung geglättet und zusätzlich verdichtet. Gleichzeitig wird verhindert, dass Bodenmaterial sich auf dem verlorenen Verdrängerkopf 40 ansammelt und Fehlstellen in einer zu erzeugenden Betonsäule bildet.

Ansprüche

1. Bohrwerkzeug zum Verdrängungsbohren im Boden, mit einem Bohrstrang (20), an dessen unterem Ende ein Verdrängerkopf (40) lösbar befestigt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das untere Ende des Bohrstranges (20) als ein Verdrängerbereich (30) ausgebildet ist, welcher gegenüber dem angrenzenden Bohrstrangbereich (22) aufgeweitet ist.

2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verdrängerbereich (30) ein zylindrisches Segment aufweist, welches allmählich, insbesondere konisch, in den angrenzenden Bohrstrangbereich (22) übergeht.

3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verdrängerkopf (40) eine Außenwendel (42) aufweist.

4. Bohrwerkzeug nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verdrängerbereich (30) am Bohrstrang (20) einen Außendurchmesser aufweist, welcher gleich oder kleiner als der Außendurchmesser der Außenwendel (42) des Verdrängerkopfes (40) ist.

5. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Bohrstrangbereich (22), welcher an den Verdrängerbereich (30) angrenzt, eine Bohrstrangwendel (24) ausgebildet ist.

6. Bohrwerkzeug nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bohrstrangwendel (24) entgegengesetzt zur Außenwendel (42) des Verdrängerkopfes (40) gewunden ist.

7. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Verdrängerkopf (40) Armierungselemente befestigbar sind.

8. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bohrstrang (20) zum Einleiten eines Füllgutes rohrförmig ausgebildet ist.

9. Verfahren zum Verdrängungsbohren im Boden, insbesondere mit einem Bohrwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem ein Verdrängerkopf (40), welcher an einem unteren Ende eines Bohrstranges (20) lösbar befestigt ist, unter Verdrängung von Bodenmaterial in den Boden bis zu einer vorgesehenen Tiefe eingebracht wird, in welcher der Bohrstrang (20) vom Verdrängerkopf (40) gelöst und aus dem Boden zurückgezogen wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass am unteren Ende des Bohrstranges (20) ein Verdrängerbereich (30) ausgebildet ist, mit welchem beim Zurückziehen des Bohrstranges (20) von oben kommendes Bodenmaterial seitlich verdrängt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Verdrängerkopf (40) eine Außenwendel (42) ausgebildet ist, wobei der Bohrstrang (20) beim Einbringen in den Boden in eine Richtung gedreht wird, in welcher die Außenwendel (42) Bodenmaterial seitlich und nach oben fördert.

11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verdrängerkopf (40) durch Drehen in entgegengesetzte Richtung und/oder durch Aktivieren einer Löseeinrichtung vom Bohrstrang (20) gelöst wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Bohrstrangbereich (22), welcher an den Verdrängerbereich (30) angrenzt, eine Bohrstrangwendel (24) ausgebildet ist, wobei beim Zurückziehen der Bohrstrang (20) in eine Richtung gedreht wird, in welcher die Bohrstrangwendel (22) von oben kommendes Bodenmaterial in den Verdrängerbereich (30) fördert.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass beim Zurückziehen Armierungselemente, welche am Verdrängerkopf (40) befestigt sind, mit nach oben geführt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erzeugte Bohrloch beim Zurückziehen des Bohrstranges (20) mit einem Füllgut verfüllt wird.

Zeichnung