Rütteldruckverdichtung : dynamische Verdichtungskontrolle auf Basis der Rüttlerbewegung : dynamic compaction control based on the vibrator movement

Abstract

Die Rütteldruckverdichtung ist ein Bodenverbesserungsverfahren, welches seit Jahrzehnten bei der tiefreichenden Verdichtung grobkörniger Böden erfolgreich zur Anwendung kommt. Das Verfahren wird zwar laufend weiterentwickelt, es stehen jedoch bis heutzutage keine geeigneten Instrumente zur laufenden, systematischen Überprüfung der Verdichtungsarbeiten zur Verfügung. Im Unterschied zu konventionellen Prüfmethoden soll es sich dabei um eine rüttlerund arbeitsintegrierte Methode der Verdichtungskontrolle handeln. Dies bedeutet, dass der Tiefenrüttler nicht nur als Verdichtungsgerät fungieren, sondern gleichzeitig auch als Messwerkzeug angewendet werden soll. Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit setzte sich die Entwicklung der wissenschaftlichen Grundlagen eines Systems zur arbeitsintegrierten Qualitätskontrolle der Rütteldruckverdichtung auf Basis der dreidimensionalen Rüttlerbewegung zum übergeordneten Ziel. Die messtechnische Erfassung des Bewegungsverhaltens des Tiefenrüttlers und darüber hinaus diverser Verfahrensparameter sowie des Wellenfeldes an der Geländeoberfläche erfolgten in großmaßstäblichen experimentellen Untersuchungen auf einem Versuchsfeld. Die Auswertung und Interpretation der Messergebnisse ermöglichte bisher unzureichend geklärte bzw. nur zum Teil nachvollzogene Vorgänge, die während der Rütteldruckverdichtung auf dem Tiefbaugerät und im Rüttler-Boden Interaktionssystem passieren, systematisch zu erforschen. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Messdatenauswertung wurde ein analytisches Modell entwickelt. Dieses ließ eine grundlegende Untersuchung des Zusammenhanges zwischen der aktuellen Steifigkeit des Bodens und dem Bewegungsverhalten des Tiefenrüttlers und in weiterer Folge eine Abgrenzung wesentlicher bodenphysikalischer Prozesse im zu verdichtenden Boden zu. Die Quantifizierung des Verdichtungserfolgs erfolgte in Form eines unmittelbar aus den messtechnisch erfassten Daten ableitbaren Indikators, der zustandsabhängigen Reaktionssteifigkeit. Bei der Rütteldruckverdichtung wird die Herstellung eines quasi-homogenen, zusammenhängenden verdichteten Bodenkörpers erzielt. Die Kontrolle der Verdichtungsarbeiten soll daher dreidimensional, über die Tiefe und flächendeckend, d. h. raumfüllend erfolgen. Die übliche gleichmäßige, rasterförmige Anordnung der Verdichtungsstrecken stellt eine hervorragende Grundlage für eine systematische, arbeitsintegrierte Überprüfung behandelten Bodenbereiches dar. Auf Basis der Erkenntnisse dieser Arbeit sind hierfür die Rüttlerbewegung, diverse Verfahrensparameter und dasWellenfeld an der Geländeoberfläche anwendbar.

Deep vibro compaction (vibroflotation) is a ground improvement technique, which has been worldwide strongly used for deep compaction of granular soils for decades. However, the methods for quality control of the compaction works are still largely empirical in nature and therefore often unreliable. There is currently no approved method for a reliable continuous compaction control for this ground improvement technique available. In contrast to conventional testing methods, a workand vibrator-integrated testing tool is required. That means the deep vibrator should not just serve as a compaction device but at the same time as a measurement tool, too. The presented doctoral thesis intends the development of the scientific basis for a system for work-integrated compaction control, based on the three-dimensional motion behaviour of the deep vibrator. For this purpose, fundamental experimental investigations were executed with an extensive test program. The compaction process was investigated in the scope of large-scale field tests. Additionally to the movement behaviour of the vibrator body, various process parameters and ground accelerations were recorded. The outcomes of the experiments provided new insights into the highly complex soilvibrator interaction system. They disclosed numerous previously less-known mechanisms during the compaction process. Based on the measurement data, a simplified analytical model of the soil-vibrator system was developed. The present analytical modelling allowed an indication of increasing soil stiffness due to vibro compaction. Moreover, it made an identification of fundamental physical processes in the compacted soil body possible. This way, compaction success could be quantified by a parameter called state-dependent stiffness indicator, which was derived directly from the monitored vibrator movement. Deep vibro compaction obtains the production of a uniform, quasi-homogenous compacted soil body. For this reason, the control of the compaction works must be undertaken three-dimensional, covering the depth and the ground surface. The execution of the ground improvement in compaction patterns makes a systematic control of the soil body ideally possible. The outcomes of the current doctoral thesis provide fundamentals for the application of the deep vibrator as a measurement tool for this purpose. Additionally to the vibrator movement, specific machine parameters and the measured wave field on the ground surface can be applied for this aim.