Analytische Untersuchung der Gesteinslöseprozesse als Grundlage für die Optimierung von Bohrmeißeln

Abstract

Durch die Einsatzmöglichkeit unterschiedlicher Lösewerkzeuge stellt das Schlagbohrverfahren eine gängige Möglichkeit bei der Herstellung von Pfählen bei wechselnden Untergrundverhältnissen dar. Zum Lösen von Festgestein oder anderer Bohrhindernisse werden Meißelwerkzeuge eingesetzt. Dieser Lösevorgang stellt einen entscheidenden Faktor hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit des gesamten Pfahlherstellungsprozesses dar. Die vorliegende Diplomarbeit soll die Grundlage für die Optimierung und Weiterentwicklung von Meißelwerkzeugen zur Steigerung der Effektivität liefern. Nach einem Überblick über unterschiedliche Pfahlsysteme, wird näher auf die Verfahren zur Herstellung von Bohrpfählen eingegangen. Eine Möglichkeit zur Herstellung von Bohrpfählen stellt das Schlagbohrverfahren dar, welches durch den variablen Einsatz unterschiedlicher Löse- und Förderwerkzeuge ein breites Einsatzspektrum bietet. Die verwendeten Geräte und Werkzeuge dieses Verfahrens werden anschließend im Detail beschrieben. Der Prozess der Gesteinslösung wird unter dem Aspekt einer möglichen Optimierung von Lösewerkzeugen umfangreich analysiert. Je nach Härte des Gesteins kommen unterschiedliche Arten der Gesteinslösung zum Einsatz.<br />Die Maschinen, die für das Lösen von Gestein verwendet werden, sind in ihrer Ausführung vor allem durch ihr Einsatzgebiet bestimmt. Die, an diesen Geräten montierten Lösewerkzeuge, lassen sich prinzipiell in Diskenmeißel, Schrämmmeißel und in Eindringkörper einteilen. Für diese drei Typen von Werkzeugen werden unterschiedliche Theorien und Modelle, die die charakteristischen Mechanismen der Gesteinslösung beschreiben, kritisch analysiert und gegebenenfalls miteinander verglichen. Der Mechanismus der Gesteinslösung bei Eindringkörpern wird am ausführlichsten behandelt, da dies dem Lösevorgang von den Meißelwerkzeugen bei der Herstellung von Pfählen mit dem Schlagbohrverfahren entspricht. Dabei werden entsprechende Modelle und Theorien zur Beschreibung der Entstehung und Ausbreitung unterschiedlichster Risse und der dabei auftretenden Spannungen vorgestellt und in Hinblick auf ihre praktische Anwendbarkeit kritisch betrachtet. Weiters werden zwei experimentelle Untersuchungen mit zwei unterschiedlichen Methoden zur Aufzeichnung der Rissentstehung und Rissausbreitung beschrieben, deren Ergebnisse angeführt und gegebenenfalls mit theoretischen Werten verglichen.<br />Abschließend werden ausgehend von den eingehend untersuchten unterschiedlichen Lösemechanismen die Ergebnisse zusammengefasst, um davon mögliche Optimierungsmöglichkeiten für die Meißelwerkzeuge des Schlagbohrverfahrens ableiten zu können. Außerdem werden Optionen für weiterführende Untersuchungen in dieser Problematik aufgezeigt.<br />

The construction of piles with hammer grab and chisel is well established for installing piles in varying ground conditions, due to the possible application of various tools. The machining of rock or other subsurface obstacles by chisels is crucial in the economic viability of the overall pile construction process. The master thesis at hand should serve as a basis for the optimisation and further development of drilling tools in order to increase the efficiency.<br />After outlining the different types of piles and the manifold construction methods, the manufacturing process of bored piles is explained in detail. The adjustable application of various drilling and mining tools, offers a wide field of applications for the installation of bored piles with hammer grab and chisel. Subsequently the devices and equipment used for this method are explicitly depicted. The process of rock cutting and rock fragmentation is extensively analysed, with respect to possible optimisation of drilling and cutting tools. The specific type of the various rock cutting machines is dependent on the operational area. The drilling and cutting tools mounted on these machines can be fundamentally classified into disc cutters, drag picks and indenters. Different theories and models for the characteristic mechanism of rock cutting and fragmentation of the three basic tools are analysed and compared where appropriate. As the mechanism of rock fragmentation due to indenters complies with the rock cutting process of the chiseling tools during the installation of piles with hammer grab and chisel, this mechanism is elaborately dealt with. In the course of these appropriate theories and models for crack initiation, crack propagation and crack growth with the occuring stresses, for all different types of cracks are presented and critically observed with regard to practical applicability. Further on two experimental studies investigating the crack initiation and crack growth with different methods are depicted and the results are presented and compared with theoretical data. Finally the findings of the extensively studied different mechanisms of rock cutting are summarized in order to be able to derive a possible optimisation of drilling tools, used for the installation of piles with hammer grab and chisel. Furthermore possibilities for additional research topics in this field are highlighted.