DE3234918A1

DE3234918A1 - Verfahren und vorrichtung zum ausbilden von sandpfaehlen zum verfestigen von weichem grund

Info

Publication number: DE3234918A1
Application number: DE19823234918
Authority: DE
Inventors: Takahiro Takatsuki Osaka Kawakami; Hidehiko Matsubara Osaka Matsumoto; Toshiyuki Fujisawa Kanagawa Matsumoto; Masaru Toyonaka Osaka Shono; Tooru Abiko Chiba Tamura
Original assignee: Fudo Construction Co Ltd
Current assignee: Fudo Tetra Corp
Priority date: 1981-09-22
Filing date: 1982-09-21
Publication date: 1983-04-14
Also published as: AU552443B2; AU8812882A; GB2106960A; PH20304A; DK413282A; US4487524A; MX154481A; NL189868C; SE8205390L; KR860001923B1; FR2513283A1; GB2106960B; IT1149086B; NO823193L; FR2513283B1; NL189868B; SE8205390D0; DE3234918C2; IT8249138A0; MY8700355A

Description

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P-I917

Fudo Construction Co., Ltd. 30, 5-chome, Hirano-machi, Higashi-ku, Osaka/Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Ausbilden von Sandpfählen zum Verfestigen von weichem Grund

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern von weichem Grund von variierender Bodenbeschaffenheit oder Textur zu einem Grund von gleichförmiger Festigkeit durch Einbringen von Sandpfählen in den Grund.

Beim Verfestigen von weichemGrund durch Eintreiben von Sandpfählen wird die Festigkeit des Grundes in der Regel an Hand der Ergebnisse von Bodenuntersuchungen geschätzt, die an einer Mehrzahl von Stellen in dem zu verbessernden Bereich durchgeführt werden, und die Sollfestigkeit des Grundes sowie der erforderliche Durchmesser,die Teilung und andere Parameter der Sandpfähle werden an Hand der geschätzten Festigkeit sowie des Gewichts, der Form und dergleichen des Bauwerks bestimmt, das auf dem Grund nach dessen Verfestigung errichtet werden soll. Konventionelle Verbesserungsarbeiten werden unter der Annahme durchgeführt, daß die Sollfestigkeit erzielt werden kann, indem Sandpfähle entsprechend den vorbestimmten Parametern eingebracht werden. Wenn jedoch die Festigkeit des zu verbessernden Grundes variiert, schwankt auch die Festigkeit des verbesserten Grundes entsprechend, weil es sich bei der geschätzten Festigkeit des Grundes, die für die Bemessung der Sandpfähle herangezogen wird, um einen Mittelwert handelt. Infolgedessen hat der verbesserte

Grund zwangsläufig eine variierende Festigkeit. Dies stellt ein bei dem konventionellen Verfahren noch zu lösendes Problem dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlauben, einen weichen Grund auf wirkungsvolle Weise kontrolliert zu verbessern und insbesondere einen Grund mit gleichförmiger Festigkeit zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß beim Ausbilden der Sandpfähle deren Durchmesser und/oder Festigkeit in Abhängigkeit von der Beschaffenheit oder Festigkeit des zu verfestigenden Grundes geändert werden .

Es ist bekannt, einen Sandpfahl in dem zu verbessernden Grund mittels eines hohlen Rohrs auszubilden, das an seinem unteren Ende mit einem Sandaustrag- und Verdichtungsteil versehen ist, das zu einer Zwangsbewegung in lotrechter Richtung veranlaßt werden kann. Die von dem Austrag- und Verdichtungsteil aufgebrachte Schubkraft F läßt sich durch die Gleichung

F = K · A · B · C

ausdrücken, wobei K eine Konstante, A der Durchmesser des Sandpfahls, ß seine Festigkeit und C die Festigkeit des Grundes ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise der Wert F als Maß zum Regeln der beim Ausbilden der Sandpfähle aufgebrachten Arbeit benutzt, und während des Betätigens des Sandaustrag- und Verdichtungsteils mittels eines hydraulischen Zylinders werden der Durchmes-

ser und/oder die Festigkeit des Sandpfahls geändert, wobei die von dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil aufgebrachte Schubkraft gleich dem vorbestimmten Wert gehalten wird.

Der Durchmesser des Sandpfahls läßt sich variieren, indem die Geschwindigkeit, mit der das Rohr hochgezogen wird, und/oder die Menge des Wassers geändert werden, das um das untere Ende des Rohres herum eingespeist wird. Die Festigkeit des Sandpfahls läßt sich beeinflussen, indem die Frequenz und/oder die Amplitude der dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil vermittelten Vibrationen geändert wird.

Es erwies sich als zweckmäßig, die Schubkraft F des Sandaustrag- und Verdichtungsteils unmittelbar vor dem Ende des Abwärtshubes des Kolbens des hydraulischen Zylinders zu erfassen und mit dem voreingestellten Wert (Fo) zu vergleichen, sowie den Durchmesser und/oder die Festigkeit des gerade ausgebildeten Sandpfahls entsprechend dem Vergleichsergebnis zu ändern. Infolgedessen wird erfindungsgemäß ein hydraulischer Zylinder vorgesehen, um das Sandaustrag- und Verdichtungsteil in lotrechter Richtung zwangsweise zu bewegen; ferner sind eine Detektoreinrichtung zum Erfassen der Arbeitsstrecke des Kolbens des hydraulischen Zylinders durch Ermitteln der Durchflußmenge des dem hydraulischen Zylinder zugeführten Fluids, ein Sensor zum Erfassen des Druckes des Fluids, wenn der Abwärtshub des Kolbens einen vorbestimmten Wert erreicht hat, ein Vergleicher zum Vergleichen der an Hand des Fluiddruckes errechneten, von dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil aufgebrachten Schubkraft mit einem vorbestimmten Wert, und eine Einrichtung zum Ändern des Durchmessers und/oder der Festigkeit der Sandpfähle entsprechend dem Vergleichsergebnis vorgesehen.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. IA eine graphische Darstellung der über der

Tiefe aufgetragenen Festigkeit des Grundes für ein konventionelles Verfahren,

Fig. IB eine entsprechende graphische Darstellung

für das Verfahren nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der vorliegend ver

wendeten Regelschaltung und

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die erkennen läßt, wie ein Standardwert für F ermittelt wird.

In den Fig. IA und IB ist die Beziehung zwischen der Tiefe und der Festigkeit des Grundes für ein konventionelles Verfahren bzw. für das Verfahren nach der Erfindung dargestellt. Dabei sind α die geschätzte Festigkeit des zu verbessernden Grundes, b die Istfestigkeit des Grundes, c die Sollfestigkeit des verbesserten Grundes und d die Istfestigkeit des verbesserten Grundes. Bei P ist ein in dem Grund ausgebildeter Sandpfahl veranschaulicht. Wie zu erkennen ist, schwankt bei dem konventionellen Verfahren mit festem Durchmesser des ausgebildeten Sandpfahls die Festigkeit des verbesserten Grundes erheblich in Abhängigkeit von der Istfestigkeit des zu verbessernden Grundes. Demgegenüber stimmt bei dem vorliegenden Verfahren, bei welchem der Durchmesser des Sandpfahls entspre-

chend der Festigkeit des. Grundes geändert wird, die Istfestigkeit des verbesserten Grundes mit dessen Sollfestigkeit im wesentlichen Uberein. Das bedeutet, daß mit dem vorliegenden Verfahren der Grund auf einen gleichförmigen Festigkeitswert verfestigt wird.

Entsprechend Fig. 2 wird eine Vorrichtung 1 benutzt, um einen verdichteten Sandpfahl P auszubilden. Die Vorrichtung 1 weist ein Rohr 2, ein kurzes Rohrstück 3, ein Sandaustrag- und Verdichtungsteil 4, einen hydraulischen Zylinder 5 zum Bewegen des Teils 4 in lotrechter Richtung, einen Trichter 6 zum Einfüllen des Sandes in das Rohr 2, eine Antriebseinheit 7 zum Hineintreiben des Rohres 2 in den Grund, eine Preßluftzuleitung 8, ein Ventil 9 zum Verhindern des Entweichens von Preßluft aus dem Trichter, ein Ablaßventil 10, ein Drahtseil 11 zum Aufhängen des Rohrs 2, eine Winsch 12, Fluidleitungen 13 und 14 sowie Wasserstrahldüsen 15 auf.

Um mittels der Vorrichtung 1 einen Sandpfahl in einem weichen Grund G auszubilden, wird zuerst das Rohr 2 mittels der Antriebseinheit 7 bis auf eine vorbestimmte Tiefe eingetrieben, wobei das Drahtseil 11 entsprechend nachgelassen wird. Das Hineintreiben des Rohrs 2 in den Grund wird mit Hilfe von Wasserstrahlen unterstützt, die über die Wasserstrahldüsen 15 in den Grund G gerichtet werden und/ oder durch Betätigen sowohl des hydraulischen Zylinders 5 als auch der Antriebseinheit 7,

Das Rohr 2 wird dann nach oben gezogen, während mittels des Sandaustrag- und Verdichtungsteils 4 Sand ausgetragen und verdichtet wird. Beim Hochziehen des Rohrs 2 wird ein Sandpfahl P allmählich in aufwärtsführender Richtung ausgebildet. Das Hochziehen des Rohrs wird für gewöhnlich mehrmals unterbrochen, um Sand nachzufüllen. Während der

Ausbildung des Sandpfahls wird von der Preßluftzulei-' tung 8 aus Preßluft in das Rohr 2 eingeleitet, um für ein einwandfreies Austragen des Sandes zu sorgen.

Wird das vorliegende Verfahren mit in Abhängigkeit von der Beschaffenheit oder Festigkeit des zu verbessernden Grundes geändertem Durchmesser des Sandpfahls durchgeführt, erhält der Sandpfahl in Tiefen, wo die Istfestigkeit des Grundes größer als die geschätzte Festigkeit ist, einen kleineren als den normalen Durchmesser, während der Sandpfahl in Tiefen, wo die Festigkeit unter dem Schätzwert liegt, der Sandpfahl mit einem größeren als dem normalen Durchmesser ausgebildet wird.

Der Sandpfahldurchmesser läßt sich ändern, indem entweder die Geschwindigkeit, mit der das Rohr 2 hochgezogen wird, variiert wird, oder indem von den Wasserstrahldüsen 15 um das untere Ende des Rohres 2 herum Wasser ausgetragen wird, um den Grund innerhalb eines begrenzten Bereiches aufzuweichen.

Im Falle der Verfahrensvariante mit Änderung der Festigkeit des Sandpfahls in Abhängigkeit von Änderungen der Beschaffenheit oder Festigkeit des zu verbessernden Grundes wird dem Sandpfahl eine geringere Festigkeit (oder Dichte) als die normale Festigkeit in Tiefen vermittelt, wo die Istfestigkeit des Grundes größer als die geschätzte Festigkeit ist. Demgegenüber erhält der Sandpfahl eine größere als die normale Festigkeit in Tiefen, wo die Istfestigkeit des Grundes kleiner als die geschätzte Festigkeit ist.

Die Festigkeit des Sandpfahls läßt sich durch Ändern der Frequenz und/oder der Amplitude der Vibrationen variieren, die dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil 4 vermit-

- 9 telt werden.

Die Schwankung der Beschaffenheit oder Festigkeit des zu verbessernden Grundes läßt sich auf verschiedenartige Weise erfassen, beispielsweise mit Hilfe eines Dehnungsoder Spannungsmessers oder einer Lastmeßdose, die an zweckentsprechender Stelle an dem Rohr 2 angebracht sind.

Die von dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil 4 aufgebrachte Schubkraft F läßt sich beispielsweise in der unten erläuterten Weise aus dem Fluiddruck unmittelbar vor dem Ende des Abwärtshubes des Kolbens des hydraulischen Zylinders 5 bestimmen. Bei der Ausführungsform nach Fig.3 erzeugt ein in der Fluidleitung 14 des hydraulischen Zylinders 5 liegender Durchflußmengenmesser 16 Impulse, die proportional der Durchflußmenge je Zeiteinheit sind. Die Impulse werden mittels eines Integrators 18 über die Zeit integriert, um die Impulsanzahl zu bestimmen, die proportional dem Fluidvolumen ist, das über den Durchflußmengenmesser 16 während der Zeitspanne vom Beginn bis zum Ende des Abwärtshubes des Kolbens des Zylinders 5 geflossen ist. Das Impulssignal wird in eine Spannung umgewandelt, die einem Vergleicher 19 zugeführt wird.

Der Vergleicher 19 wird ferner mit einer an einem Einstellglied 20 vorangestellten Spannung beaufschlagt, die proportional dem Fluidvolumen ist, das der Kolben des Zylinders 5 für die Abwärtsbewegung bis unmittelbar vor dem Ende seines Abwärtshubes benötigt. Der Vergleicher 19 vergleicht die vom Integrator 18 kommende Spannung mit der voreingestellten Spannung und gibt an eine Speicherschaltung 21 ein Signal ab, wenn diese beiden Spannungen einander gleich werden.

Der Fluiddruck in der Fluidleitung 13 wird einmal jede

Minute mittels eines Drucksensors 17 ermittelt und in eine Spannung umgewandelt, die der Speicherschaltung 21 zugeführt wird. Die Speicherschaltung registriert die vom Drucksensor ]7 kommende Spannung auf Grund des Signals vom Vergleicher 1? und übermittelt die registrierte Spannung an eine Rechenschaltung 22.

Die Rechenschaltung bestimmt die Schubkraft F an Hand der von der Speicherschaltung 21 kommenden Spannung (die proportional dem Fluiddruck unmittelbar vor dem Ende des Abwärtshubs des Kolbens ist) und der effektiven Querschnittsfläche des Zylinders 5_/ die zuvor eingespeichert wurde. Der so erhaltene Wert F wird in einem Vergleicher 23 mit einem Wert Fo verglichen, der mittels eines Einstellgliedes 24 voreingestellt wurde.

Der voreingestellte Wert F wird wie folgt ermittelt: Weil die gleiche Dichte oder Festigkeit des Sandpfahls erhalten werden kann, wenn das benutzte Material(für gewöhnlich Sand) und die bei der Ausbildung des Sandpfahles verwendeten Parameter die gleichen sind, läßt sich eine graphische Darstellung der in Fig. 4 dargestellten Art, welche die wechselseitige Beziehung zwischen dem Wert F, dem Sandpfahldurchmesser und der Festigkeit N des zu verbessernden Grundes wiedergibt, an Hand der Ergebnisse von Versuchen aufstellen, die mit entsprechenden Sandpfählen für diesen Zweck durchgeführt werden. Unter Anwendung dieser graphischen Darstellung wird ein Wert Fo bestimmt, welcher der geschätzten Festigkeit No des Grundes und dem vorgesehenen Durchmesser des erforderlichen Sandpfahles (beispielsweise 700 mm in Fig. 4) entspricht. Der voreingestellte Wert F kann in Abhängigkeit von der Tiefe geändert werden.

Bei den Messungen, die während der Versuchs-Sandpfahlaus-

bildung durchgeführt werden, läßt sich der Wert F in der oben erläuterten Weise messen; der Durchmesser des Sandpfahls wird auf konventionelle Weise mittels eines Tiefenmessers und eines Sandvolumenmessers (nicht veranschaulicht) bestimmt, die an dem Rohr 2 angebracht sind. Die Festigkeit des Grundes wird mit Hilfe eines gewöhnlichen Testers gemessen. Die Festigkeit kann auch unter Anwendung der Vorrichtung 1 ermittelt werden, obwohl dies vorliegend nicht im einzelnen erläutert ist.

Der Vergleicher 23 vergleicht den ermittelten Wert F mit dem voreingestellten F~Wert (Fo). Falls eine Differenz vorliegt, gibt der Vergleicher ein Signal an eine Steuereinheit 25, die ein Regelsignal erzeugt, um einen den Pfahldurchmesser bestimmenden Parameter einzustellen, beispielsweise die Geschwindigkeit, mit deren das Rohr 2 mittels der Winsch 12 hochgezogen wird.

In Tiefen, wo die Istfestigkeit des Grundes größer als No ist, wird der ermittelte F-Wert den voreingestellten Wert Fo überschreiten, so daß die Geschwindigkeit, mit der das Rohr mittels der Winsch hochgezogen wird, vergrößert wird. Infolgedessen wird der Durchmesser des Sandpfahls kleiner als der Normalwert (beispielsweise 700 mm). In Tiefen, wo die Istfestigkeit des Grundes kleiner als No ist, wird die Geschwindigkeit verkleinert, um den Durchmesser zu vergrößern.

Der Durchmesser läßt sich regulieren, indem mittels des von der Steuereinheit 25 kommenden Signals ein Ventil geöffnet wird, welches das Volumen des von den Wasserstrahldüsen \5 abgegebenen Wassers einstellt. Bei der praktischen Herstellung von Sandpfählen, bei welcher der Wert F auf einen konstanten Wert geregelt wird, wird ein gewisser Spielraum oberhalb und unterhalb des vor-

eingestellten Wertes Fo zugelassen. Die Regelung wird für gewöhnlich derart ausgeführt, daß der ermittelte F-Wert (Schubkraft) zwischen den oberen und unteren Grenzwerten liegt.

Während bei der oben erläuterten Ausführungsform der Durchmesser des Sandpfahls eingestellt wird, während seine Festigkeit konstant bleibt, läßt sich auch die Festigkeit des Sandpfahls bei festgehaltenem Durchmesser ändern. Es ist ferner möglich, sowohl den Durchmesser als auch die Festigkeit des Sandpfahls zu andern, solange der F-Wert fest bleibt.

Wenn die Festigkeit der Sandpfähle bei festgehaltenem Durchmesser geändert werden soll, geschieht dies vorzugsweise durch Ändern der Frequenz und/oder der Amplitude der Vibrationen, die dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil 4 vermittelt werden. Die Festigkeit läßt sich aber auch dadurch variieren, daß das Teil 4 während seiner Abwärtsbewegung intermittierend in feine Vibrationen versetzt wird. Vibrationen können dem Teil 4 einfach dadurch aufgedrückt werden, daß die Fluidzufuhr zu dem hydraulischen Zylinder 5 pulsierend erfolgt.

Wenn sowohl der Durchmesser als auch die Festigkeit der Sandpfähle geändert werden sollen, kann dies dadurch geschehen, daß die Geschwindigkeit der Vertikalbewegung oder die Hublänge des Sandaustrag- und Verdichtungsteils 4 variiert werden; im übrigen kann auch in der vorstehend erläuterten Weise vorgegangen werden.

Der vorliegend verwendete Begriff "Sandpfahl" soll auch Pfähle umfassen, zu deren Herstellung ein ähnliches Material wie Sand verwendet wird, beispielsweise Kies, Gesteinsschutt und Schlacke.

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Leer sei te

Claims

PATENTANWALT DIfL..tNG*-GEP>HAXD;S€HWAN ELFENSTRA5SE32 · D-SOOO MÜNCHEN 83 P-1917 Fudo Ansprüche

1. Verfahren zum Ausbilden von Sandpfählen zum Verfestigen von weichem Grund, bei dem ein Rohr in den Grund eingetrieben, Sand in das Rohr eingebracht und das Rohr allmählich hochgezogen wird, während der Sand ausgetragen und verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines gleichförmig verfestigten Grundes beim Ausbilden der Sandpfähle deren Durchmesser und/oder Festigkeit in Abhängigkeit von etwaigen Änderungen der Beschaffenheit des zu verfestigenden Grundes geändert werden,

2. Verfahren zum Ausbilden von Sandpfählen zum Verfestigen von weichem Grund, bei dem ein Rohr in den Grund eingetrieben, Sand in das Rohr eingebracht und das Rohr allmählich hochgezogen wird, während der Sand mittels eines nahe dem unteren Ende des Rohres vorgesehenen Sandaustrag- und Verdichtungsteils ausgetragen und verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Sandaustrag- und Verdichtyngsteil in lotrechter Richtung zwangsgetrieben wird und daß beim Ausbilden der Sandpfähle deren Durchmesser und/oder Festigkeit geändert wird, während die auf das Sandaustrag- und Verdichtungsteil ausgeübte Schubkraft gleich einem vorbestimmten Wert gehalten wird,

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ändern des Durchmessers der Sandpfähle die Geschwindigkeit, mit der das Rohr hochgezogen wird, und/oder die Menge an Wasser eingestellt werden, das

FERNSPRECHER: 089/6012039 · KABEL: ELECTtUCPATENT MÜNCHEN

um das untere Rohrende herum in Form von Strahlen ausgetragen wird.

4, Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daü zum Ändern der Festigkeit der Sandpfähle die Frequenz und/oder die Amplitude der dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil vermittelten Vibrationen eingestellt wird.

5. Vorrichtung zum Ausbilden von Sandpfählen zwecks kontrollierter Verfestigung von weichem Grund, gekennzeichnet durch ein in den Grund eintreibbares Rohr (2), über das in den Grund Sand eingebracht wird, ein am unteren Ende des Rohres angeordnetes Sandaustrag- und Verdichtungsteil (4) zum Austragen des Sandes aus dem Rohr und zum Verdichten des Sandes, einen hydraulischen Zylinder (5) mit einem Kolben zum Bewegen des Sandaustrag- und Verdichtungsteils in lotrechter Richtung, eine Detektoreinrichtung (16, 18) zum Erfassen der Arbeitsstrecke des Kolbens durch Ermitteln der Durchflußmenge des dem hydraulischen Zylinder zugeführten Fluids, einen Sensor (17) zum Erfassen des Druckes des Fluids, wenn der Abwärtshub des Kolbens einen vorbestimmten Wert erreicht hat, einen Vergleicher (23) zum Vergleichen der an Hand des Fluiddrukkes errechneten, von dem Sandaustrag- und Verdichtungsteil aufgebrachten Schubkraft mit einem vorbestimmten Wert, und eine Einrichtung (25) zum Ändern des Durchmessers und/oder der Festigkeit der Sandpfähle (P) entsprechend dem Vergleichsergebnis.