VIBRATIONSRAMMVERFAHREN

Abstract

 Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Profils in den Untergrund bis zu einer vorgegebenen Endteufe mittels eines mit Unwuchten arbeitenden Vibrators, wobei die rotierenden Unwuchten eine im Wesentlichen axial zum Profil gerichtete Vibrationsschwingung (z_P(t)) in das Profil einleiten und die Phasenlage der Unwuchten zwischen einer resultierenden maximalen Unwuchtamplitude und einer minimalen Unwuchtamplitude während des Betriebs des Vibrators verstellt werden kann, wobei kurz vor Erreichen der Endteufe über einen abschließenden Einbringvorgang die Phasenlage der arbeitenden Unwuchten von maximaler Unwuchtamplitude bis minimaler Unwuchtamplitude verstellt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Profils in den Untergrund bis zu einer vorgegebenen Endteufe mittels eines mit Unwuchten arbeitenden Vibrators, wobei die rotierenden Unwuchten eine im Wesentlichen axial zum Profil gerichtete Vibrationsschwingung (z_P(t)) in das Profil einleiten und die Phasenlage der Unwuchten zwischen einer resultierenden maximalen Unwuchtamplitude und einer minimalen Unwuchtamplitude während des Betriebs des Vibrators verstellt werden kann.

[0002] Entsprechende Vibratoren, die einen vibrationsfreien An- und Auslauf erlauben, sind beispielhaft aus der EP 1 967 291 A1 bekannt. Damit kann beim Hoch- bzw. Herunterfahren des Drehantriebes des Vibrators vermieden werden, dass beim Durchfahren des Eigenfrequenzbereiches von umliegenden Strukturen große Bewegungsamplituden aufgrund von Resonanzeffekte entstehen und umliegende Gebäude etc. gefährden. Die gewünschte Vibrationsfrequenz (häufig 30 Hz bis 40 Hz) liegt nämlich hochfrequenter, nämlich deutlich über der Eigenfrequenz von Gebäudestrukturen. Während des Einbringvorganges wird keine Verstellung vorgenommen. Die EP 1 967 291 A1 lehrt eine Verstellbarkeit durch Mittel zur Arretierung während des Einbringvorganges auszuschließen. Ähnliches zeigt die EP 2 789 403 B1.

[0003] Beim sogenannten Vibrationsrammen wird durch Fliehkräfte von meist paarweise gegenläufig rotierenden Unwuchten (Unwuchtpaaren) eine Kraft erzeugt, die sich in vertikaler Richtung addiert und in horizontaler Richtung aufhebt. Aus dem daraus resultierenden, sinusförmigen Kraftverlauf bestimmen die Frequenz und das statische Moment die Amplitude der Erregerkraft. Entsprechend dieses oszillierenden Kraftverlaufs und dynamischer Prozesse im Boden entsteht jeweils unter dem Profil am Profilfuß durch eine geringfügige Aufwärtsbewegung des Profils kurzzeitig ein Hohlraum und somit ein Unterdruck. Dabei versucht im Untergrund vorhandenes Grundwasser diesen Unterdruck auszugleichen. Somit entsteht am Profilfuß im Boden ein sogenannter hydraulischer Grundbruch. Der Boden wird also verflüssigt. Diese Dynamik ist offensichtlich maßgeblich für den relativ leichten Einbringvorgang beim Vibrationsrammen.

[0004] Nachteilig beim Vibrationsrammen ist jedoch, dass ein einvibriertes Profil meist deutlich geringere statische Tragfähigkeiten im Vergleich zu einem gerammten Profil aufweist. Im Stand der Technik ist es daher bekannt, das schonendere und schnellere Vibrationsrammen zum Einbringen der Profile in den Untergrund zu verwenden, wobei jedoch ein bis zwei Meter oberhalb der Endteufe eine Umrüstung auf das herkömmliche Rammen erfolgt. Somit wird das einzubringende Profil mit herkömmlicher Rammschlagenergie nachgerammt. Nachteilig dabei ist ein erheblicher Umrüstaufwand, eine höhere Lärmbelästigung und auch ein Risiko für die Umgebung, insbesondere für angrenzende Bauwerke aufgrund der durch die Rammschläge verursachten Beeinträchtigungen.

[0005] Aus der EP 3 051 028 A1 ist ein Verfahren zum Vibrationsrammen bekannt, das gegenüber einem kombinierten Vibrations- und Schlagrammverfahren vereinfacht sein soll. Dabei wird die Vibrationsfrequenz des Vibrators während des Vibrationsvorganges innerhalb eines gegebenen Vibrationsfrequenzbandes des Baugrundes variiert. Damit soll insbesondere dem Problem der verringerten seitlichen Tragfähigkeit der Profile beim Vibrationsrammen Rechnung getragen werden.

[0006] Es ist daraus erkennbar, dass ein großes Bedürfnis für einen kontrollierten Einbringvorgang eines Profils in den Untergrund mittels Vibrationsrammen besteht, mit dem die gleiche Tragfähigkeit, also die mechanisch-hydraulischen Bedingungen unterhalb des Profilfußes beachtet werden. Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, die unerwünschte Aufwärtsbewegung des Profils beim abschließenden Einbringvorgang kurz vor Erreichen der Endteufe zu vermeiden. Gelöst wird diese Aufgabe bei einem eingangs dargestellten Verfahren dadurch, dass kurz vor Erreichen der Endteufe über einen abschließenden Einbringvorgang die Phasenlage der arbeitenden Unwuchten von maximaler Unwuchtamplitude bis minimaler Unwuchtamplitude verstellt wird..

[0007] Damit wird die resultierende Fliehkraft kurz vor Erreichen der Endteufe erfindungsgemäß gegen null gesteuert ,um die dynamische Aufwärtsbewegung des vom Vibrationsrammen beaufschlagten Profils zu verringern beziehungsweise ganz zu verhindern. Bei minimaler Unwuchtamplitude, insbesondere bei einer resultierenden Fliehkraft gleich 0 wirkt somit lediglich die über die Vibrationsrammvorrichtung aufgebrachte Auflast, sodass das einzubringende Profil am Ende des abschließenden Einbringvorgangs lediglich durch die vorhandene Auflast in den Untergrund gedrückt wird. Dies können je nach Untergrund und Abstimmung des abschließenden Einbringvorgangs bei der Verstellung der Unwuchten auch nur wenige letzte Millimeter des Einbringvorganges sein.

[0008] Dadurch, dass die Phasenverstellung über den abschließenden Einbringvorgang während der letzten 200 Perioden, bevorzugt 20 Perioden, besonders bevorzugt der letzten halben Periode der Vibrationsschwingung (z_P(t)) erfolgt, wird sichergestellt, dass ein ausreichender Zeitraum im Rahmen von wenigen Perioden der Vibrationsschwingung der Übergang vom normalen Vibrationsrammen zum abschließenden lediglich Eindrücken des Profils in den Untergrund vorgesehen ist, wobei mit jeder weiteren Periode ab Beginn des abschließenden Einbringvorgangs durch die inkrementale Verstellung der Phase und dabei leichten Verringerung der resultierenden Fliehkraft die Aufwärtsbewegung mit jeder weiteren Periode der Vibrationsschwingung verringert wird, womit ab einer bestimmten verringerten resultierenden Fliehkraft kein hydraulischer Grundbruch neu ausgelöst wird. Dabei wird bis zu diesem nicht genau bekannten Zeitpunkt ein fast normaler Vortrieb des Profils in den Untergrund erzielt. Nach Erreichen dieses Zeitpunkts, also dem nicht mehr Auftreten des hydraulischen Grundbruchs dürfte dann ein deutlich geringerer Vortrieb des Profils bis zum Erreichen der Endteufe erfolgen. Dabei wäre eine Verstellung binnen der letzten halben Periode aufgrund der Bodendynamik die optimale Lösung, die jedoch von der mechanisch möglichen Verstellgeschwindigkeit der Phasenlage der Unwuchten am konkreten Vibrator abhängig ist.

[0009] Wenn auf das einzubringende Profil eine Auflast aufgelastet wird, die von einer minimalen Auflast bis zu einer maximalen Auflast verstellt werden kann, wobei während des abschließenden Einbringvorgangs die momentane Auflast bis zum Erreichen der Endteufe auf die maximale Auflast erhöht wird, kann während dieses letzten Abschnitts im abschließenden Einbringvorgang, bei dem aufgrund der deutlich verringerten resultierenden Fliehkraft nur noch geringe Unwuchtamplituden auf das Profil einwirken, eine hohen Tragfähigkeit des Profils vergleichbar mit dem Rammen mit diesem quasi Eindrückvorgang erreicht werden.

[0010] Um die Verstellung der Phase der Unwuchten beim Einbringvorgang steuerungstechnisch einfach zu verwirklichen, erfolgt die Phasenverstellung der rotierenden Unwuchten durch Ansteuerung separater Drehantriebe.

[0011] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.

[0012] Darin zeigt:

Fig. 1

in einem Graphen eine durch die rotierenden Unwuchten resultierende Kraft F_R in Abhängigkeit von der Zeit t und

Fig. 2

in einem weiteren Graphen die mit dem Profil erreichte Eindringtiefe z in Abhängigkeit von der Zeit t.

[0013] Fig. 1 zeigt in einem Graphen eine durch die rotierenden Unwuchten resultierende Kraft F_R in Abhängigkeit von der Zeit t. Darin ist erkennbar, dass zum Einbringen des Profils in den Untergrund zunächst eine möglichst maximale Unwuchtamplitude als aus der Unwucht resultierende Vertikalkraft F_R periodisch auf dem Profilkopf auflastet. In Fig. 1 ist die statische Auflast durch die gestrichelte Linie definiert. Häufig sind derartige Vibratoren mit paarweise gegenläufig rotierenden Unwuchten (Unwuchtpaaren) ausgestattet, die beim Vibrationsrammen Fliehkräfte erzeugen, die sich in vertikaler Richtung addieren und in horizontaler Richtung aufheben. Aus dem daraus resultierenden, sinusförmigen Kraftverlauf bestimmen die Frequenz und das statische Moment die Amplitude der Erregerkraft. Typische Vibrationsfrequenzen liegen bei 10 Hz bis 100 Hz, besonders bevorzugt bei 30 Hz bis 40 Hz.

[0014] In Fig. 2 ist die beim Vibrationsrammen am Profilfuß erreichte Tiefe z nach unten in Abhängigkeit von der Zeit t aufgeführt (z_P(t)). Bei Erreichen einer vorbestimmten Endteufe, hier mittels gestrichelter Linie dargestellt, wird über einen abschließenden Einbringvorgang die Phasenlage der arbeitenden Unwuchten von maximaler Unwuchtamplitude bis minimaler Unwuchtamplitude verstellt, womit die deutliche Unwuchtamplitudenreduzierung um die weiter bestehende Auflast (gestrichelte Linie in Fig. 1) resultiert und sich gleichzeitig eine auf die Endteufe ausschwingende, abschließende leichte Abwärtsbewegung des Profilfußes gemäß rechtem Ende des Graphen in Fig. 2 ergibt.

[0015] Vorteilhaft wird mit jeder weiteren Periode ab Beginn des abschließenden Einbringvorgangs durch die weitere Verstellung der Phase zwischen den Unwuchtpaaren und dabei Verringerung der resultierenden Fliehkraft die Aufwärtsbewegung mit jeder weiteren Periode der Vibrationsschwingung deutlich verringert, womit ab einer bestimmten verringerten resultierenden Fliehkraft kein hydraulischer Grundbruch unter dem Profilfuß mehr ausgelöst wird. Dabei wird bis zu diesem nicht genau bekannten Zeitpunkt ein für das Vibrationsrammen üblicher Vortrieb des Profils in den Untergrund erzielt. Nach Erreichen dieses Zeitpunkts, bei dem der hydraulische Grundbruch nicht mehr auftritt, erfolgt ein deutlich geringerer Vortrieb des Profils bis zum Erreichen der Endteufe (langsame leicht schwingende Annäherung an die gestrichelte Linie in Fig. 2).

[0016] Entsprechend wird die letzte Annäherung des Profilfußes zur gewünschten Endteufe (gestrichelte Linie Fig. 2) im Wesentlichen durch die statische Auflast mit nur minimal durch die auslaufende dynamische "Restunwucht" (minimale Schwingungen um die gestrichelte Linie in Fig. 1 am rechten Ende des Graphen) unterstützter Dynamik, jedoch ohne die letztendlich geforderte statische Tragfähigkeit zu schwächen, erreicht. Mit diesem Einbringverfahren ist ein Nachrammen somit nicht mehr erforderlich. Damit wird der Spitzenwiderstand am erfindungsgemäß einvibrierten Profilfuß deutlich höher sein als bei herkömmlich einvibrierten Profilen, da eine Verflüssigung des Bodens infolge der nun vermiedenen Aufwärtsbewegung unterhalb des Profilfußes nicht mehr auftritt.

Ansprüche

1. Verfahren zum Einbringen eines Profils in den Untergrund bis zu einer vorgegebenen Endteufe mittels eines mit Unwuchten arbeitenden Vibrators, wobei die rotierenden Unwuchten eine im Wesentlichen axial zum Profil gerichtete Vibrationsschwingung (z_P(t)) in das Profil einleiten und die Phasenlage der Unwuchten zwischen einer resultierenden maximalen Unwuchtamplitude und einer minimalen Unwuchtamplitude während des Betriebs des Vibrators verstellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass kurz vor Erreichen der Endteufe über einen abschließenden Einbringvorgang die Phasenlage der arbeitenden Unwuchten von maximaler Unwuchtamplitude bis minimaler Unwuchtamplitude verstellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverstellung über den abschließenden Einbringvorgang während der letzten 200 Perioden, bevorzugt 20 Perioden, besonders bevorzugt der letzten halben Periode der Vibrationsschwingung (z_P(t)) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf das einzubringende Profil eine Auflast aufgelastet wird, die von einer minimalen Auflast bis zu einer maximalen Auflast verstellt werden kann, wobei während des abschließenden Einbringvorgangs die momentane Auflast bis zum Erreichen der Endteufe auf die maximale Auflast erhöht wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phaselage und damit die resultierende Unwuchtamplitude der rotierenden Unwuchten durch Ansteuerung von separaten Drehantrieben erfolgt.

Zeichnung