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Dokumentenidentifikation DE19535877C1 03.04.1997
Titel Vorrichtung zur zeitweisen Eintragung einer zusätzlichen Flächenlast auf größere unter einer Wasseroberfläche liegende Bodenflächen
Anmelder Bergsicherung Cottbus Erkundungs- und Sanierungsgesellschaft mbH, 03099 Kolkwitz, DE
Erfinder Lehmann, Andreas, Dipl.-Ing., 03046 Cottbus, DE
Vertreter Hanelt, H., Ing. Dipl.-Ing. Faching. f. Schutzrecht., Pat.-Anw., 03042 Cottbus
DE-Anmeldedatum 27.09.1995
DE-Aktenzeichen 19535877
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse E02D 3/00
IPC-Nebenklasse E02D 27/26   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zeitweisen, kontrollierbaren Eintragung einer zusätzlichen Flächenlast auf größere Bodenflächen, insbesondere unter Wasser, bei Gewährleistung der punktuellen Zugänglichkeit der Bodenflächen, zum Zwecke von Bodenverdichtungsmaßnahmen, beispielsweise bei der Verdichtung der Uferzonen von Tagebaurestlöchern, zur Bildung von Widerlagern, zum Aufbringen von Probebelastungen sowie zur flächigen Abdeckung unter gleichzeitiger Belastung bei Injektionen oder Vakuumentwässerung. Weiterhin besteht die Möglichkeit zur Herstellung temporärer Dämme.
Zur Realisierung der Erfindung wird eine Vielzahl von Schwimmkörpern zu einer schwimmfähigen Struktur verbunden. An der Unterseite der Schwimmkörper sind überwiegend quaderförmige Hohlkörper aus einem flexiblen Material, beispielsweise einem flüssigkeitsdicht beschichteten Gewebe angeordnet. Um eine Last in den Gewässergrund einzutragen, werden die Hohlkörper solange mit Wasser gefüllt, bis die Schwimmkörper aus dem Wasser gehoben werden und durch die über den Gewässerspiegel hinausragende Füllung der Hohlkörper der gewünschte Bodendruck erreicht ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Geschüttete oder locker sedimentierte Böden, wie sie beispielsweise bei Innenkippen von Tagebaurestlöchern, Absetzbecken aber auch bei der Nivellierung von größeren Bauplätzen auftreten, weisen bekanntlich eine geringe Lagerungsdichte mit entsprechend großem Porenvolumen auf.

Im Falle von locker gelagerten, sandigen, wassergesättigten Böden kann bei schneller Lasteintragung ein Festigkeitsverlust bis zur Verflüssigung eintreten, was zu Geländebrüchen führen kann. Diese Böden können durch kurzzeitige dynamische Anregung und Belastung verdichtet werden, wobei die Maßnahme selbst in Böschungsnähe das Risiko des Auslösens eines Geländebruches birgt. Für unterhalb des Wasserspiegels anstehende Böden käme davon die Rütteldruckverdichtung als mögliches Verfahren in Betracht. Erfahrungsgemäß tritt bei der Rütteldruckverdichtung erst ab einer Mindestauflast von 30-40 kN/m² eine Verdichtungseffekt ein. Somit ist für eine oberflächig, unter Wasser anstehende ca. 5 m mächtige Schicht eine zusätzliche Auflast erforderlich, um sie entsprechend zu verdichten. Belastungen durch Aufschüttungen oder Einspülen von Material in das Wasser sind zu diesem Zwecke meist ungeeignet, weil zum einen die Bereitstellung, der An- und Abtransport und Ein- und Ausbau des benötigten Belastungsmaterials für Aufschüttung bei der in frage stehenden Fläche problematisch werden und zum anderen treten bei der Durchführung dieser Maßnahme Initiale/Randbedingungen auf, die die Gefahr des Geländebruches/Setzungsfließens bedingen.

Durch die US PS 3 965 688 und die US PS 4 009 580, die die Bildung einer Unterwasserstruktur durch Füllen eines durch eine wasserundurchlässigen Membran gebildeten Hohlkörpers mit einem Feststoff-, Wassergemisch mit anschließendem Wasserentzug vorsieht, ist ebenfalls die potentielle Anwendung zur Belastung und Abdichtung von Böden unter Wasser gegeben. Allerdings ist das Verfahren erst ab einer bestimmten Wassertiefe anwendbar und benötigt zusätzlich zum Wasser geeignetes festes Material. Die Belastung wird hier durch die höhere Dichte des festen Materials gegenüber Wasser erreicht.

Derzeit ist somit noch kein Verfahren in der Anwendung, um für die Nutzung kritische, locker gelagerte sandige Böden im Flachwasserbereich von Restlöchern zu verdichten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine kontrollierte, manipulierbare, großflächige Belastung einer unter einer Wasseroberfläche liegenden Fläche und deren Abdichtung erlaubt, ohne daß dazu Massen von Schüttgütern wie Sand oder Kies bereitgestellt werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Patentanspruch angegebenen Merkmalen gelöst. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung wird die Belastung durch eine über den Wasserspiegel hinaus aufgebaute Wassersäule erzeugt.

Zur Realisierung der Erfindung wird eine Vielzahl von vorzugsweise rechteckigen Schwimmkörpern, beispielsweise bekannten Pontons, wie sie zum Bau von Behelfsbrücken bekannt sind, mit Hilfe von geeigneten Kopplungselementen zu einer schwimmfähigen, flächigen, sich horizontal erstreckenden Struktur verbunden.

An der Unterseite der Schwimmkörper werden überwiegend quaderförmige Hohlkörper aus einem flexiblen Material, beispielsweise einem flüssigkeitsdicht beschichtetem Gewebe, befestigt.

Als besonders günstig erweist es sich, wenn die Ansatzstücke als Kopplungselemente ausgebildet werden.

Die Seitenwände und gegebenenfalls der Boden der sackartigen Hohlkörper können beim Transport und der Montage so zusammengefaltet sein, daß sie die Grundfläche des Ansatzstückes, respektive Kopplungselementes seitlich nicht überragen. Nach der Montage entfaltet sich der Hohlkörper seitwärts, so daß lediglich die Seitenwände eine vorzugsweise balgenartige Faltung aufweisen. Dadurch ist die vertikale Erstreckung variabel und wird nur durch eine unter Druck erfolgende Füllung mit dem aus der Umgebung entnehmbaren Wasser bestimmt.

Der horizontale Querschnitt wird, wenn er nicht durch die anliegende Seitenwand des benachbarten Hohlkörpers bestimmt ist, durch in regelmäßigen Abständen vorhandene, mit dem Umfang des Hohlkörpers verbundene Abstandselemente gewährleistet. Die Abstandselemente können sowohl Seile oder Stäbe als auch wasserdurchlässige Gewebe oder Netze in den Abmessungen der Grundfläche des Hohlkörpers sein.

Vorzugsweise weist der Hohlkörper ein Zentralrohr auf, das sich durch dessen Grundfläche erstreckt und gegen diese abgedichtet ist. Die untere Mündung dieses Zentralrohres kann auch direkt mit dem Rand einer zentralen Öffnung im Boden des Hohlkörpers verbunden sein. Im Ansatzstück des Hohlkörpers wird das Zentralrohr mit einer druckhaltenden Durchführung nach oben hinausgeführt. Das kann durch die Ausbildung der Durchführung als eine auf dem Zentralrohr gleitende Dichtung oder als nach oben das Ansatzstück überragendes, das Zentralrohr umschließendes Rohr erfolgen. Dabei muß die Höhe des Rohres mindestens gleich der Höhe einer Flüssigkeitssäule sein, die dem hydrostatischen Druck, der in dem Hohlkörper bei der Füllung ansteht, entspricht.

Es ist sinnvoll, das Zentralrohr so auszuführen, daß es aus mehreren kuppelbaren Rohren besteht. Damit können die einzelnen Rohrstücke, je nach benötigter vertikaler Ausdehnung, erst beim Füllen der Hohlkörper und dem damit verbundenen Absinken des Bodens der Hohlkörper angesetzt und das Zentralrohr bis zur benötigten Länge verlängert werden. Dadurch wird bis zur Füllung der Hohlkörper die Montage der Gesamtfläche nicht behindert.

Das Zentralrohr dient in erster Linie als Führung für die Abstandselemente. Das kann beispielsweise mittels auf dem Rohr gleitender Ringe geschehen, die mit den Abstandselementen verbunden sind.

Das Zentralrohr kann weiterhin zur Verankerung des Hohlkörpers auf dem Gewässergrund durch Ankerpfähle, die durch die Zentralrohre in den Untergrund gesenkt werden und zur Zuführung von Einrichtungen zur Beeinflussung des unter dem Hohlkörper befindlichen Untergrundes dienen. Dazu können durch dieses Zentralrohr Rüttelwerkzeuge oder Injektionslanzen aber auch Drainagerohre oder andere Werkzeuge in den Untergrund eingeführt werden.

Alternativ zur balgenartigen Form des Hohlkörpers ist eine teilweise oder vollständige teleskopartige Ausbildung der vertikalen Flächen des Hohlkörpers möglich.

Zur Füllung und Entleerung des Hohlkörpers ist vorzugsweise auf der Oberseite des Hohlkörpers eine Zuführung angeordnet.

Wenn das Ansatzstück des Hohlkörpers als Kopplungselement oder zusätzlicher Schwimmkörper ausgebildet ist, kann die Zuführung in dieses integriert sein. Sie wird vorteilhafterweise mit einem Ventil versehen.

Um beim Auffüllen des Hohlkörpers und beim Leeren ein gleichmäßiges Absenken und Abheben des Hohlkörpers in der Form, daß der nicht benötigte Teil der Seitenwände stets in gefaltetem Zustand direkt unter dem Schwimmkörper verbleibt, zu erreichen, werden am oder im Hohlkörper, vorzugsweise an den Befestigungen der Abstandselemente, kleinere Auftriebskörper angeordnet.

Soll mit einer derartig aufgebauten Vorrichtung eine Last in den Gewässergrund eingetragen werden, so werden die Schwimmkörper in einer der zu belastenden Fläche entsprechender Anzahl in der Ufernähe eingeschwommen. Durch Aufreihung mehrerer Schwimmkörper werden lineare Einheiten gebildet, deren Länge der Breite oder Länge der zu belastenden Fläche entspricht. Dann werden diese Schwimmkörperreihen an ihren Längsseiten über Kopplungselemente miteinander zu einer schwimmfähigen, flächigen, sich horizontal erstreckenden Struktur verbunden und gegebenenfalls zur Einsatzstelle bugsiert.

Hier werden die gegebenenfalls als Kopplungselemente ausgeführten Ansatzstücke, an deren Unterseite die zusammengefalteten Hohlkörper befestigt sind, in die Fläche integriert. Sollten die in den Hohlkörpern vorhandenen Zentralrohre nicht ausreichen, um dadurch die vorgesehene Untergrundbehandlung auszuführen, so werden zwischen den mit den Hohlkörpern versehenen Kopplungselementen weitere Kopplungselemente mit entsprechenden Arbeitsrohrführungen angeordnet und in diesen die Arbeitsrohre zum Gewässerboden abgesenkt.

Danach werden die Hohlkörper solange mit Wasser gefüllt, bis der gewünschte Bodendruck erreicht ist. Dabei senken sich die Hohlkörper durch Auseinanderfalten der Seitenwände in einer ersten Absenkphase auf den Gewässergrund herab, so daß die Unterseite des Hohlkörpers auf dem Boden zu liegen kommt. Bei weiterer Wasserzufuhr steigt der Druck im Hohlkörper gegenüber dem umgebenden hydrostatischen Druck und die bis dato schwimmende schwimmfähige, flächige, sich horizontal erstreckende Struktur wird entsprechend der sich einstellenden Druckwasserspiegelhöhe über den umgebenden Wasserspiegel gehoben. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Zuführungen der einzelnen Hohlkörper miteinander verbunden sind und damit gewährleistet wird, daß die Druckerhöhung gleichmäßig erfolgt.

Wie leicht verständlich steigt damit der Druck auf die Bodenfläche um einen Betrag, der der Höhendifferenz zwischen umgebenden Wasserspiegel und dem in den Hohlkörpern aufgebauten Druckwasserspiegel entspricht.

Wenn die Hohlkörper so angeordnet werden, daß sie eine geschlossene Bodenfläche bedecken, ist es möglich, die in den Boden eingetragene Spannung weiter zu erhöhen, indem über die Zentralrohre Wasser aus dem Untergrund abgesaugt wird. Wie leicht einzusehen ist, kann damit ein maximaler Druck erzeugt werden, der der gesamten Höhe der Hohlkörper zuzüglich einem Luftdruckanteil entspricht.

Wenn eine Struktur, wie sie oben beschrieben ist nicht als geschlossene Fläche sondern als Ring oder als Bogen von einem Punkt eines Gewässerrandes zu einem zweiten aufgebaut wird, so ist es möglich das dadurch eingeschlossene Wasservolumen abzupumpen und damit Teile des Gewässergrundes trockenzulegen.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Dabei zeigen

Fig. 1 den Überblick über eine erfindungsgemäße Vorrichtung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Hohlkörper,

Fig. 4 eine angeschnittene Draufsicht auf einen Hohlkörper mit Markierung der Schnittlinie A-A zur vorstehenden Fig.,

Fig. 5 das Einsetzen eines Hohlkörpers mit einem Schwimmkörper zwischen zwei Schwimmkörper sowie zwei Phasen der Füllung,

Fig. 6 ein Kopplungselement mit einer Rohrführung in der Draufsicht,

Fig. 7 ein Kopplungselement mit einer Rohrführung in der Seitenansicht,

Fig. 8 eine mögliche Ausführungsform eines Schwimmkörpers mit an den Ecken angeordneten Kopplungsschienen in der Draufsicht und

Fig. 9 eine mögliche Ausführungsform eines Schwimmkörpers mit an den Ecken angeordneten Kopplungsschienen in der Seitenansicht.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung setzt sich aus einer Vielzahl rechteckiger Schwimmkörper 1 zusammen, die mit Hilfe von geeigneten Kopplungselementen 6 zu einer schwimmfähigen, flächigen, sich überwiegend horizontal erstreckenden Struktur verbunden sind.

An der Unterseite der flächigen Struktur werden mit Hilfe von Ansatzstücken 2, die in den Kopplungselementen 6a vorhandene Öffnungen eingesetzt werden, überwiegen quaderförmige Hohlkörper 3 aus einem flüssigkeitsdicht beschichtetem Gewebe befestigt. Zwischen je zwei mit Ansatzstücken 2 versehenen Kopplungselementen 6a werden weitere Kopplungselemente 6b angeordnet, die mit einer Arbeitsrohrführung 8 versehen sind.

Zur leichteren Handhabung der Kopplungselemente 6a sind diese als Schwimmkörper ausgeführt sind.

Die Seitenwände der sackartigen Hohlkörper 3 sind beim Transport und der Montage balgenartig zusammengefaltet.

Im Hohlkörper sind in regelmäßigen Abständen mit dem Umfang des Hohlkörpers verbundene Abstandselemente 4 in Form von Seilen, die an ihren Enden jeweils mit den Eckpunkten des Hohlkörpers und einem auf dem Zentralrohr 5 gleitenden Ring 11 verbunden sind, vorhanden.

Das Zentralrohr, das sich durch die Grundfläche des Hohlkörpers erstreckt ist direkt mit dem Rand einer zentralen Öffnung im Boden des Hohlkörpers verbunden. An der Oberseite des Hohlkörpers wird das Zentralrohr durch eine nach oben den Hohlkörper überragendes, das Zentralrohr 5 umschließendes Zentralrohrführung 7 geleitet. Dieses Führungsrohr 7 überragt das als Schwimmkörper ausgeführte Kopplungselement 6a geringfügig.

Das Zentralrohr ist so ausgeführt, daß es aus mehreren kuppelbaren Rohren 5a besteht. Damit können die einzelnen Rohrstücke 5a je nach benötigter Tiefe erst beim Füllen der Hohlkörper 3 und dem damit verbundenen Absinken des Bodens der Hohlkörper 3 angesetzt werden. Dadurch wird bis dahin die Montage der Gesamtfläche nicht behindert.

Zur Füllung und Entleerung des Hohlkörpers 3 ist auf der Oberseite des Hohlkörpers 3 im Innern des Ansatzstückes 2 eine mit einer Rohrkupplung und einem Ventil versehene Zuführung 9 angeordnet.

Soll mit einer derartig aufgebauten Vorrichtung eine Last in den Gewässergrund 12 einzutragen werden, so werden die Schwimmkörper 1 in einer der zu belastenden Fläche entsprechender Anzahl im Uferbereich des Gewässers eingeschwommen. Durch Aufreihung und Kopplung mehrerer Schwimmkörper 1 werden lineare Einheiten gebildet deren Länge der Breite oder Länge der zu belastenden Fläche entspricht. Dann werden diese Schwimmkörperreihen an ihren Längsseiten über Kopplungselemente 6a und 6b miteinander verbunden. Damit werden die Schwimmkörperreihen zu einer Fläche zusammengeschlossen. Dann wird die so aufgebaute schwimmfähige Struktur zum Einsatzort bugsiert.

Durch die Arbeitsrohrführungen 8 werden Arbeitsrohre 10 zur Untergrundbehandlung bis auf den Untergrund 12 herabgelassen und ggf. dort verankert. Dann werden die Hohlkörper 3 durch die in den in den Kopplungselementen 6a vorhandene Öffnungen eingesetzt und über die Zuführungen 9 solange mit Wasser gefüllt, bis der gewünschte Bodendruck erreicht ist. Dabei senken sich die Hohlkörper, wie in Fig. 5 dargestellt, durch Auseinanderfalten der Seitenwände in einer ersten Absenkphase auf den Gewässergrund 12 herab, so daß die Unterseite des Hohlkörpers auf dem Gewässergrund 12 zu liegen kommt. Bei weiterer Wasserzufuhr erhöht sich der Druck im Hohlkörper 3 und die schwimmende waagerechte Struktur wird aus dem Wasser gehoben. Wie leicht verständlich steigt damit der Druck auf benötigte Größenordnung.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur zeitweisen Eintragung einer zusätzlichen Flächenlast auf größere unter einer Wasseroberfläche liegende Bodenflächen, dadurch gekennzeichnet, daß eine schwimmfähige, flächige, sich horizontal erstreckende Struktur vorhanden ist, die sich aus einer Vielzahl von Schwimmkörpern zusammensetzt, die mit Hilfe von geeigneten Kopplungselementen (6) verbunden sind, wobei von der Unterseite der flächigen Struktur sich ein oder vorzugsweise mehrere Hohlkörper (3) überwiegend nach unten erstrecken, wobei die vertikale Erstreckung des Hohlkörpers (3) durch eine unter Druck erfolgende Füllung mit einem flüssigen Medium, vorzugsweise Wasser, variiert werden kann.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (3) zur Gewährleistung der vertikalen Längenveränderung aus einem flexiblen Material hergestellt ist, das, solange der Hohlkörper (3) nicht seine volle vertikale Erstreckung aufweist, in Falten geformt ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (3) zur Gewährleistung der vertikalen Längenveränderung aus einem flexiblen Material hergestellt ist, das, solange der Hohlkörper (3) nicht seine volle vertikale Erstreckung aufweist, eine balgenartige Struktur aufweist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (3) zur Gewährleistung der vertikalen Längenveränderung eine teilweise oder vollständige teleskopartige Ausbildung der vertikalen Flächen aufweist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt der horizontalen Querschnittsfläche durch in regelmäßigen Abständen vorhandene, mit dem Umfang des Hohlkörpers (3) verbundene Abstandselemente (4) gewährleistet wird.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente (4) als lineare, sich über den horizontalen Querschnitt erstreckende Elemente, beispielsweise Bänder ausgebildet sind.
  7. 7 Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente (4) als überwiegend flächige, sich über den horizontalen Querschnitt erstreckende dreieckige Gewebeabschnitte ausgebildet sind, die mit einer Kante mit der Außenwand des Hohlkörpers (3) verbunden sind, während die dieser Kante gegenüberliegende Ecke im Zentrum des Hohlkörpers (3) über einen Ring, mit weiteren gleichartigen Dreiecken verbunden ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Hohlkörpers, (3) die senkrechte Achse desselben umschließend, ein Zentralrohr (5) angeordnet ist, das sich vom Boden des Hohlkörpers (3) bis über die Oberkante der schwimmfähigen flächigen, sich horizontal erstreckenden Struktur erstreckt, wobei die Durchführungen des Zentralrohres durch die Ober- und Unterfläche des Hohlkörpers (3) mit bekannten Mitteln so ausgeführt sind, daß bei den auftretenden Drücken kein Austreten des im Hohlkörper (3) befindlichen Mediums erfolgen kann.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente (4) mittels auf dem Zentralrohr (5) gleitfähig angeordneten Ringen geführt werden.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper (3) auf ihrer Oberseite vorwiegend zentral angeordnete Ansatzstücke (2) aufweisen.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansatzstücke (2) als Koppelungselemente (6) ausgebildet sind.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung (9) zur Füllung und Entleerung des Hohlkörpers (3) auf der Oberseite des Hohlkörpers (3) angeordnet ist.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung (9) zur Füllung und Entleerung des Hohlkörpers (3) in das Ansatzstück (2) integriert ist.
  14. 14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kopplungselemente (6) mit einer Arbeitsrohrführung versehen sind.
  15. 15. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungselemente (6) als schwimmfähige Hohlkörper (3) ausgeführt sind.






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