Verdichtung mit Oszillationswalzen - Bewegungsverhalten, walzenintegrierte Verdichtungskontrolle und Verschleißbeurteilung

Abstract

Die oberflächennahe Verdichtung spielt eine wesentliche Rolle bei der Errichtung zahlreicher Bauwerke des Ingenieurbaus, wie etwa von Dämmen, Straßen oder Bahntrassen. Das bevorzugte Verdichtungsgerät sind dabei dynamische Walzen. Im Gegensatz zu statischen Walzen, bei denen die Verdichtungswirkung nur von dem Eigengewicht der Maschine und gegebenenfalls der Form der Bandage herrührt, werden mit dynamisch erregten Bandagen zusätzliche Beanspruchungen in den zu verdichtenden Untergrund eingetragen, welche die Verdichtung deutlich effizienter gestalten lassen. Für die Anregung dynamischer Walzen gibt es verschiedene Systeme, die sich hinsichtlich der Konstruktion aber auch der Wirkungsweise deutlich unterscheiden. Der am weitesten verbreitete Typ dynamischer Walzen sind Vibrationswalzen, gefolgt von Oszillationswalzen. Während Vibrationswalzen eine größere Tiefenwirkung erzielen, erzeugen Oszillationswalzen deutlich geringere Erschütterungen und weisen deshalb eine besondere Eignung für sensible Bereiche wie innerstädtische Baustellen auf. Die Unwuchtmasse einer Vibrationsbandage rotiert um die Bandagenachse und erzeugt kreisförmig translatorische Schwingungen, welche den Untergrund vorwiegend durch Vertikalkräfte und in weiterer Folge Normalspannungen belasten. Im Falle einer Oszillationsbandage rotieren zwei zur Bandagenachse punktsymmetrische, gegenüberliegende Unwuchtmassen gleicher Größe und Exzentrizität synchron und zwingen der Bandage eine rotatorische Schwingung und damit eine rasch wechselnde Vorwärts-Rückwärts-Rotation auf, die der Fahrbewegung überlagert ist. Durch die Reibung zwischen dem Walzmantel der Bandage und der Oberfläche des zu verdichtenden Materials werden vorwiegend Schubkräfte in den Untergrund übertragen und dieser wird folglich durch Schubverzerrungen verdichtet; das Volumen wird verringert und die Steifigkeit steigt. Zusätzlich wirken das Eigengewicht der Bandage und anteilig jenes der Walze als statische Auflast. Beinahe jeder Walzenhersteller hat verschiedene Modelle von Vibrationswalzen im Sortiment. Oszillationswalzen werden hingegen nur von wenigen Walzenproduzenten angeboten. Zusätzlich wurden bereits zahlreiche Forschungsarbeiten zur Verdichtung mit Vibrationswalzen durchgeführt, die zu einer Optimierung der Vibrationswalzen und Weiterentwicklungen in Form von selbstregelnden Walzen und Systemen zur Flächendeckenden Dynamischen Verdichtungskontrolle (FDVK) geführt haben. Ein solches FDVK-System ermöglicht es, unter Voraussetzung konstanter Parameter des Verdichtungsprozesses vom Bewegungsverhalten der dynamisch erregten Bandage auf den Verdichtungszustand des Bodens zu schließen. Ausgangspunkt der Arbeit ist ein Forschungsprojekt zur verbesserten Anwendung von Oszillationswalzen im Erdbau. Für Oszillationswalzen gibt es bislang kein funktionierendes System zur Flächendeckenden Dynamischen Verdichtungskontrolle. Darüber hinaus sorgt eine unsachgemäße Verwendung der Oszillationswalzen - durch Fortsetzung der Verdichtungsarbeiten trotz Erreichung der maximal möglichen Verdichtung - für einen erhöhten Verschleiß der Bandage. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird zunächst das Bewegungsverhalten einer Oszillationsbandage in Abhängigkeit von unterschiedlichen Untergrundverhältnissen und Verdichtungszuständen in experimentellen Untersuchungen erfasst und die Wirkung der oszillierenden Bandage auf den Boden analysiert. Auf Grundlage der Erkenntnisse aus den experimentellen Untersuchungen wird ein mechanisches Modell zur semi-analytischen Modellierung des Walze-Boden-Interaktionssystems entwickelt, um den systematischen Zusammenhang zwischen der Steifigkeit des Bodens und dem Bewegungsverhalten der Oszillationsbandage zu untersuchen. Durch eine geeignete Beschreibung des genannten Zusammenhangs wird ein FDVK-Wert für Oszillationswalzen definiert und ein Algorithmus zur Bestimmung ebendieses FDVK-Wertes auf Grundlage realer Beschleunigungsmessdaten präsentiert. Im Hinblick auf eine mögliche Quantifizierung des Bandagenverschleißes im Zuge des Verdichtungsvorganges wird ein weiterer Kennwert zur Beurteilung der Kontaktbedingungen und des auftretenden Schlupfes zwischen dem Walzmantel der Bandage und der Oberfläche des zu verdichtenden Bodens entwickelt. In einer zweiten Reihe experimenteller Untersuchungen werden die erarbeiteten Zusammenhänge verifiziert und der entwickelte FDVK-Wert für Oszillationswalzen sowie der Schlupf-Kennwert auf reale Messdaten angewendet. Die Ergebnisse zur FDVK mit Oszillationswalzen werden Resultaten etablierter FDVK-Systeme für Vibrationswalzen gegenübergestellt und mit den dynamischen Verformungsmoduln aus Versuchen mit der dynamischen Lastplatte mit dem Leichten Fallgewichtsgerät verglichen. Zur Beurteilung der Aussagekraft des Schlupf-Kennwertes über die tatsächlich auftretende Verschleißwirkung eines Verdichtungsvorganges wird ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, mit Hilfe dessen aus den Spannungen und Verschiebungsgeschwindigkeiten in der Kontaktfläche zwischen Bandage und Boden die umgesetzte Verschleißenergie einer Verdichtungsfahrt als Referenzgröße der Verschleißwirkung berechnet werden kann. Die Ergebnisse der experimentellen, theoretischen und numerischen Untersuchungen werden einander gegenübergestellt, um die Qualität und Aussagekraft des entwickelten FDVK-Systems für Oszillationswalzen und des Schlupf-Kennwertes zur Bewertung des Bandagenverschleißes zu beurteilen. Abschließend werden erste Ergebnisse einer praktischen Anwendung des neu entwickelten FDVK-Systems für Oszillationswalzen am Beispiel zweier Walzenzüge und einer Tandemwalze präsentiert.

Near-surface compaction plays an important role in the construction of various civil engineering structures, such as dams and embankments for roads and railways. Dynamic roller compaction has become the common method for near-surface compaction, since it is much more efficient than static rollers. There are various types for the excitation of a dynamic drum, which not only differ in their construction but also in their mode of operation and their way of loading the soil. The most popular dynamically excited drum is the vibratory drum, followed by the oscillatory drum. While the vibratory drum is capable of compacting in larger depths, the oscillatory drum reduces subsoil vibrations significantly and is therefore used in sensitive areas, such as inner city construction sites. The eccentric masses of a vibrating drum are shafted concentrically to the drum axis, resulting in a significantly higher vertical loading but also in increased subsoil vibrations. Two opposite, rotating eccentric masses whose shafts are mounted eccentrically to the drum axis generate the torsional motion of the oscillatory drum. The drum motion in horizontal direction excites the soil dynamically; additionally, the dead weight of the drum and roller load the underground in vertical direction. Mainly tangential forces are transmitted into the soil by shear waves; the soil volume decreases, while the soil stiffness increases. Almost every roller manufacturer offers various types of vibrating rollers. In addition, numerous research projects on the compaction with vibrating rollers have been carried out in the past, resulting in an optimization of vibrating rollers and further developments such as feedback controlled rollers and systems for a Continuous Compaction Control (CCC). Assuming constant parameters of the compaction process, a CCC system allows a reliable assessment of the state of compaction of the soil, based on an analysis of the motion of the dynamically excited drum. The point of departure of this doctoral thesis is a research project on the improved application of oscillating rollers in earth works. Up to now, no working CCC system exists for oscillating rollers. Moreover, the improper use of oscillating rollers - by continuing the compaction work despite reaching the state of maximum compaction - leads to an increased wear of the oscillating drum. In the presented doctoral thesis, the motion of the oscillating drum, depending on the soil conditions and various states of compaction, is analysed experimentally. Additionally, the impact of an oscillating roller on the compacted soil is investigated. Based on the findings of the experimental investigations, a mechanical model for a semi-analytic modelling of the dynamic drum-soil interaction is developed to identify a relation between the soil stiffness and the motion behaviour of the drum. A suitable description of the motion behaviour is used as a basis for the definition of a CCC value for oscillating rollers. Moreover, an algorithm for the calculation of this new CCC value, based on the measurement of accelerations in the bearing of the drum, is presented. For a possible quantification of the wear of the drum during the compaction process, a second characteristic value is defined for the assessment of the contact conditions and the occurring slip between the drum and the surface of the compacted soil. The developed relations are verified, and in a second series of experimental investigations the CCC value as well as the slip value is tested on real measurement data. The results of the novel CCC value for oscillating rollers are compared with various established CCC systems for vibrating rollers and to the dynamic deformation moduli of tests with the dynamic load plate using the Light Falling-Weight Device. A numerical model is established for the assessment of the validity of the slip value concerning the actual wear of the drum during the compaction process. The numerical model allows the analysis of the distribution of stresses and relative velocities of displacements in the contact area between drum and soil for the calculation of a wear energy, which is used as a reference value for the assessment of the wear of the drum during the compaction process. The results of the experimental, theoretical, and numerical investigations are compared with each other in order to evaluate the significance and accuracy of the developed CCC system for oscillating rollers and the slip value. Finally, first results of a practical application of the developed CCC system for oscillating rollers are presented, using two single-drum rollers and a tandem roller.