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Dokumentenidentifikation DE19629710A1 29.01.1998
Titel Verfahren zum Untersuchen mechanischer Bodenwerte und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens
Anmelder Krupp GfT Tiefbautechnik GmbH, 45143 Essen, DE;
Trischler und Partner GmbH, 64295 Darmstadt, DE
Erfinder Dürrwang, Rudolf, Dipl.-Ing., 64347 Griesheim, DE;
Neidhart, Thomas, Dr.-Ing., 64283 Darmstadt, DE;
Betz, Ferdinand, Dipl.-Ing., 35041 Marburg, DE
DE-Anmeldedatum 25.07.1996
DE-Aktenzeichen 19629710
Offenlegungstag 29.01.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.01.1998
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 3/32   
Zusammenfassung Um bei einem Verfahren zum Untersuchen mechanischer Bodenwerte, bei dem eine auf dem Boden (2) aufliegende Lastplatte (6) durch eine Belastungseinrichtung (18) statisch be- und entlastet wird und die zugehörigen Setzungen des Bodens (2) mittels geeigneter Meßvorrichtungen ermittelt werden, das Ermitteln der Werte der Bodenmechanik, vorzugsweise im Maßstab bis 1 : 1, zu ermöglichen, es wirtschaftlich durchzuführen und eine große Variationsvielfalt hinsichtlich der Kraft- und Belastungseinleitung in den Boden zu gewähren, wird die Lastplatte (6) in Schwingung versetzt und ist sie von der Belastungseinrichtung (18) schwingungsmäßig entkoppelt. Bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind auf der Lastplatte (6) fest mit dieser verbunden ein oder mehrere Vibratoren (17) angeordnet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen mechanischer Bodenkennwerte und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die statischen und/oder die dynamischen Lasten eines Bauwerkes oder eines Fahrzeuges werden häufig über flächige, plattenartige Gründungselemente auf den Boden aufgebracht. Da der Untergrund je nach geologischen Verhältnissen unterschiedliche Eigenschaften hat, treten unterschiedliche Setzungen ein. Von daher ist man bemüht, die zu erwartenden Setzungen des Bodens vor dem eigentlichen Baubeginn zu ermitteln, um diese Werte in die Planung einbeziehen zu können.

DIN 18134 beschreibt einen statischen Plattendruckversuch. Dynamische Plattendruckversuche werden mit Fallgewichten durchgeführt. Es ist auch bekannt, eine Verdichtungskontrolle des Untergrundes für dynamische Belastung durchzuführen, wobei die dynamische Verdichtung mittels Vibrationswalzen vorgenommen wird.

Nachteilig bei den vorbeschriebenen Meßverfahren werden die auf den Boden aufgegebenen Lasten nur über kleine Flächen aufgebracht, was dazu führt, daß nur für kleine Einwirkungs- bzw. Untersuchungstiefen eine Aussage erbracht werden kann. Die Abmessungen vieler Gründungselemente, speziell auch Gründungen für Fahrwege, wie Straßen oder Schienenwege, überschreiten hinsichtlich ihrer Abmessungen die Möglichkeiten der bisher bekannten Prüfgeräte um ein vielfaches. Dadurch kann mit den ermittelten Meßwerten nach den bekannten Untersuchungsverfahren keine ausreichend genaue Aussage über die mechanischen Bodenwerte in größerer Tiefe erzielt werden. Durch die Vergrößerung der Abmessungen der Vorrichtungen für die Durchführung der bekannten Verfahren wird der Einsatz dieser Systeme letztendlich unwirtschaftlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Untersuchen mechanischer Bodenwerte zu finden, das das Ermitteln der Werte der Bodenmechanik, vorzugsweise im Maßstab bis 1 : 1, ermöglicht, wirtschaftlich durchgeführt werden kann und eine große Variationsvielfalt hinsichtlich der Kraft- und Belastungseinleitung in den Boden hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben. Anspruch 8 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In den Ansprüchen 9 bis 29 werden vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 8 beschrieben.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß das Verfahren einfach und variabel ist und Meßergebnisse auch für mechanische Bodenwerte in größerer Tiefe ergibt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist den Vorteil auf, daß sie mit einfachen Mitteln transportabel ausgebildet ist.

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

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Untersuchen mechanischer Bodenwerte und

Fig. 2 die beispielhafte Ausbildung einer derartigen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch den Untergrund 1 dargestellt. Unterhalb des Bodens 2 ist eine erste Schicht 3, beispielsweise ein wasserdurchlässiges Kies-Sand-Gemisch, dargestellt. Diese Schicht 3 liegt beispielsweise über einer Schicht 4 aus Ton und Schluff. Innerhalb der Kies-Sand-Schicht 3 liegt der Grundwasserspiegel 5.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Untersuchen der mechanischen Bodenwerte, nachfolgend Last- und Schwingungsgeber 11 genannt, besteht hinsichtlich des mechanischen Aufbaus grundsätzlich aus einer Lastplatte 6, die im Ausführungsbeispiel scheibenartig ausgebildet ist. Diese Lastplatte 6 kann je nach den vorgesehenen Belastungen aus einer ebenen Platte bestehen, die, wenn nötig, durch Versteifungen gegen Durchbiegung verstärkt ist. Auf der Lastplatte 6 sind zwei Schwingungserzeuger 7 fest mit dieser verbunden aufgebracht, auf denen Isolatoren 8 angeordnet sind. Oberhalb der Isolatoren 8 ist eine Brücke 9 angeordnet, die auf ihnen aufliegt und sie verbindet. Auf die vorbeschriebene Brücke 9 wird eine statische Last 10 aufgebracht.

Die statische Last 10 überträgt sich über die Isolatoren 8 und die Schwingungsgeber 7 auf die Lastplatte 6, die diese Last letztlich auf den Boden 2 überträgt und mechanische Reaktionen im Untergrund 1 auslöst, welche mit geeigneten Meßvorrichtungen ausgewertet werden. Zur Beurteilung der Reaktionen des Untergrundes ist es erforderlich, die eingeleiteten Kräfte und Momente in den Boden 2 ebenfalls zu messen. Von daher ist es erforderlich, geeignete Sensoren an geeigneten Punkten, sowohl im Untergrund 1 als auch im Last- und Schwingungsgeber 11, anzuordnen. Die Sensoren 12 zwischen Brücke 9 und Isolator 8 dienen zum Messen der statischen Last 10. Die Sensoren 13 erfassen die Schwingungsfrequenz der Schwingungserzeuger 7. Auf bzw. an der Lastplatte 6 sind Sensoren 14 angeordnet, die die Lage-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte der Lastplatte an verschiedenen relevanten Positionen ermitteln. Im Untergrund werden in verschiedenen Tiefen Sensoren 15 eingesetzt. Diese Sensoren können die unterschiedlichsten mechanischen Bodenwerte ermitteln, wie Einsenkung, Lage- und Geschwindigkeitsveränderung, Spannung oder Temperatur. Sinnvoll ist es auch, einen Sensor 16 im Bereich des Grundwasserspiegels 5 oder auch tiefer im Grundwasserbereich anzuordnen, um hier beispielsweise den Porenwasserdruck zu messen.

Sämtliche von den Sensoren 12 bis 16 ermittelten Werte werden mit zeitlichen Abständen oder kontinuierlich einem Aufzeichnungsgerät, vorzugsweise einem Computer, zugeleitet. Die diesbezüglich erforderlichen Datenverbindungen sind nicht dargestellt.

Durch geeignete Auswertungsprogramme wird es möglich, aus den gemessenen Werten ausreichend sichere Aussagen über das mechanische Bodenverhalten bei unterschiedlichsten Belastungen zu machen und diese entsprechend darzustellen.

Ein besonderer Vorteil des Last- und Schwingungsgebers 11 entsprechend Fig. 1 ist seine große Variabilität nicht nur hinsichtlich der Lastaufgabe, sondern auch hinsichtlich der Schwingungserzeugung. Die Schwingungserzeuger 7 erzeugen vorzugsweise eine Schwingung in vertikaler Richtung. Es bestehen jedoch keine technischen Hindernisse, die Hauptschwingungsrichtung unter einem anderen Winkel in die Lastplatte 6 einzuleiten. Bei der Ausbildung mit zwei Schwingungserzeugern 7 ist es möglich, diese gleich schwingen zu lassen, woraus sich ihre Schwingungsleistung addiert. Die Schwingungserzeuger 7 können jedoch auch gegenläufig schwingen, so daß, dadurch hervorgerufen, die Lastplatte 6 eine Kippbewegung um ihren Gesamtschwerpunkt vollzieht. Je nach den vorausberechneten Belastungen, die durch das später zu erstellende Bauwerk auf den Boden 2 ausgeübt werden, können die geeigneten statischen Lasten mit dynamischen Kräften unterschiedlicher Richtung, Frequenz und Größe mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt werden.

Ein bauliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist ein handelsüblicher Vibrator 17, der beispielsweise hydraulisch angetrieben wird, fest mit der Lastplatte 6 verbunden. Oberhalb des Vibrators 17 ist ein Isolator 8 aufgebracht, im Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Kunststoffblock, der als Feder wirkt. Durch diese Maßnahme übertragen sich die durch den Vibrator 17 erzeugten Schwingungen nur minimal auf die die statische Last 10 aufbringende Belastungseinrichtung 18. Im Ausführungsbeispiel wird als Belastungseinrichtung 18 neben Belastungsplatten eine hydraulisch betriebene Kolbenzylindereinheit verwendet. Diese ist an einem vertikal gestellten Mäkler 19 befestigt, welcher wiederum an einem nicht dargestellten Hydraulikbagger angebracht ist, dessen Arm so weit ausgefahren wird, daß die Aufstandskraft des Baggers sich nicht mehr auf die Meßergebnisse der mechanischen Bodenwerte unterhalb der Vorrichtung zum Messen der Bodenwerte auswirkt.

Andere Möglichkeiten der Aufbringung der statischen Last 10 sind denkbar. Die Last 10 kann beispielsweise auch direkt vom Bagger aufgebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, die Belastungseinrichtung 18 völlig unabhängig von anderen Geräten zu betreiben. In diesem Fall könnte die statische Last 10 durch Auflegen von Gewichten erzeugt werden. Bei dieser Ausführung wäre es sinnvoll, den Erzeuger der Energie zum Betreiben des Vibrators 17, hier ein Hydraulikaggregat, direkt als Last 10 der Belastungseinrichtung 18 zuzuordnen.

Sofern jedoch ein Hydraulikbagger zur Verfügung steht, kann die Energie zum Betreiben des Vibrators 17 bzw. der Belastungseinrichtung 18 direkt vom Hauptantrieb oder einem Hilfsantrieb des Baggers erzeugt werden.

Durch den einfachen modularen Aufbau des Last- und Schwingungsgebers 11 kann er leicht zu einem anderen Meßpunkt versetzt werden. Sofern die Ausführung mit Mäkler 19 an einem Bagger gewählt wird, erfolgt dies direkt durch das Anheben des Baggerarms, an dem der Mäkler befestigt ist. Durch geeignete Konstruktionsmaßnahmen werden dann alle Bauelemente des Last- und Schwingungsgebers 11 mit angehoben und auf die neue Meßstelle gesetzt. Sofern der Last- und Schwingungsgeber 11 jedoch als eigenständiges System betrieben wird, kann er ebenso durch geeignete Hebemittel angehoben und zur nächsten Meßstelle versetzt werden. Hierzu müssen nur geeignete Anschlagmittel für Ketten oder Seile auf der Lastplatte 6 vorgesehen sein.

Zur weiteren Erhöhung der Variabilität der Last- und Energieeinbringung in den Untergrund sieht die Erfindung vor, die Aufstandsfläche 20, mit der die Lastplatte 6 auf dem Boden 2 aufliegt, unterschiedlich zu gestalten. Bei der Ausbildung gemäß Fig. 2 ist die Aufstandsfläche 20 eben. Bei der Ausbildung gemäß Fig. 1 ist die Aufstandsfläche 20 konvex kugelig ausgebildet. Zum einfachen Variieren der Form der Aufstandsflächen 20 zum Anpassen an die Erfordernisse können Austauschplatten lösbar unter der Lastplatte 6 angebracht werden.

Bezugszeichenliste

1 Untergrund

2 Boden

3 Schicht

4 Schicht

5 Grundwasserspiegel

6 Lastplatte

7 Schwingungserzeuger

8 Isolator

9 Brücke

10 Last

11 Last- und Schwingungsgeber

12 Sensor

13 Sensor

14 Sensor

15 Sensor

16 Sensor

17 Vibrator

18 Belastungseinrichtung

19 Mäkler

20 Aufstandsfläche


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Untersuchen mechanischer Bodenwerte, bei dem eine auf dem Boden (2) aufliegende Lastplatte (6) durch eine Belastungseinrichtung (18) statisch be- und entlastet wird und die zugehörigen Setzungen des Bodens (2) mittels geeigneter Meßvorrichtungen ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastplatte (6) in Schwingung versetzt wird und von der Belastungseinrichtung (18) schwingungsmäßig entkoppelt ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastplatte (6) vertikal schwingt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung hinsichtlich Frequenz und/oder Amplitude verändert wird.
  4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung harmonisch ist.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Be- und Entlastung stufenweise in einem oder mehreren Zyklen erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Boden (2) aufgebrachte Belastung und/oder die in den Boden (2) eingeleitete Energie durch Meßgeräte erfaßt werden.
  7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die statischen und/oder dynamischen Veränderungen des Bodens (2) und/oder des Untergrundes (1) gemessen werden.
  8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Lastplatte (6) fest mit dieser verbunden ein oder mehrere Vibratoren (17) angeordnet sind.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator (17) hydraulisch angetrieben wird.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Energieerzeuger für den Antrieb des Vibrators (17) unabhängig von Lastplatte (6) und Vibrator (17) aufgestellt ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieerzeuger für den Antrieb des Vibrators (17) an der Belastungseinrichtung (18) angeordnet ist.
  12. 12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lastplatte (6) wenigstens ein, vorzugsweise drei Sensoren (14) zum Erfassen der Beschleunigung, vorzugsweise in allen räumlichen Richtungen, angeordnet sind.
  13. 13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Vibrator (17) Sensoren (13) zum Erfassen der Frequenz und/oder Unwuchtposition angeordnet sind.
  14. 14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Belastungseinrichtung (18) und Lastplatte (6) Isolatoren (8) angeordnet sind.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolatoren (8) Federn eingesetzt sind.
  16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Federn Kunststoffblöcke eingesetzt sind.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Metallfedern, vorzugsweise Wendelfedern eingesetzt sind.
  18. 18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Belastungseinrichtung (18) und Lastplatte (6), vorzugsweise zwischen Belastungseinrichtung (18) und Isolatoren (8), Sensoren (12) zum Erfassen der statischen Belastung angeordnet sind.
  19. 19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Untergrund (1), vorzugsweise in unterschiedlicher Tiefe und/oder auf dem Boden (2), Sensoren (15, 16) zum Erfassen von Lage, Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder Porenwasserdruck angeordnet sind.
  20. 20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle der von den Sensoren (12,13, 14,15, 16) ermittelten Meßwerte mit zeitlichen Abständen oder kontinuierlich einem Aufzeichnungsgerät zugeführt und von diesem erfaßt werden.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufzeichnungsgerät ein Computer eingesetzt wird.
  22. 22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungseinrichtung (18) an einem, vorzugsweise an einem Bagger angebrachten, vertikal gestellten Mäkler (19) angebracht ist und/oder geführt wird.
  23. 23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Last (10) ganz oder teilweise durch den Bagger aufgebracht wird.
  24. 24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zum Betreiben des Vibrators (17) durch den Haupt- oder einen Hilfsantrieb des Baggers erzeugt wird.
  25. 25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandfläche (20) der Lastplatte (6) kreisförmig ausgebildet ist.
  26. 26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandsfläche (20) der Lastplatte (6) annähernd rechteckig ausgebildet ist.
  27. 27. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandsfläche (20) eben ist.
  28. 28. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandsfläche (20) konvex ausgebildet ist.
  29. 29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufstandsfläche (20) sphärisch konvex ausgebildet ist.






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