[Back]

H. Brandl, F. Kopf, D. Adam:
"Flächendeckende Dynamische Verdichtungskontrolle (FDVK) mit unterschiedlich angeregten dynamischen Walzen - Grundlagenforschung und praktische Anwendung ";
Report for Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie; Straßenforschung; 2002.

In this research project "Continuous Compaction Control" (CCC) is considered in connection with rollers equipped with different kinds of exciters. The main aim is directed to the oscillatory roller, the Vario-roller, and the automatically controlled Vario-Control-roller.
The drum of an oscillatory roller oscillates torsionally. The torsional motion is caused by two opposite, rotating excenter masses, which shafts are arranged excentrically to the axle of the drum. Thus, the soil is loaded horizontally in addition to the vertical static dead load of the drum and the contributing roller frame. These horizontal forces result in additional soil shear deformation.
In a Vario-roller two counter-rotating exciter masses, which are concentrically shafted on the axle of the drum, cause a directed vibration. The direction of excitation can be adjusted by turning the complete vibrator unit.
A further development of the Vario-roller is the Vario-Control-roller. In this roller type the direction of excitation is controlled automatically by using defined control criteria, which allow an optimised compaction process and, furthermore, a highly uniform compaction.

CCC is a roller integrated method in order to optimise compaction and to check continuously the compaction success during compaction with a dynamic roller. The motion behaviour of the dynamically excited roller drum indicates soil stiffness properties. Consequently, dynamic compaction values are calculated from measured drum accelerations. Thus, compaction success and synchronous increase of soil stiffness can be assessed already during the compaction process. Furthermore, all data are automatically memorised in a documentation unit.
Two recording systems are available for vibratory rollers and Vario-rollers with vertical or any inclined excitation direction (except horizontal direction):
· Compactometer - dynamic compaction value: CMV
· Terrameter - dynamic compaction value: OMEGA
Another recording system has been developed for oscillatory rollers:
· Oscillometer - dynamic compaction value: OMV
In the scope of this research project the horizontal motion behaviour of oscillatory rollers and Vario-rollers with horizontally adjusted exciter units was investigated by simulating the roller interaction using computer calculations. Therefore, the elastic part of soil could be described by a physical cone model representing the homogeneous elastic half space, which resulted in a spring-dashpot system (Kelvin-Voigt element).

Large-scale in-situ tests were carried out to investigate the effect of an oscillatory roller and a prototype of a Vario-Control-roller both on cohesive and non-cohesive granular material. Each roller was equipped with adequate CCC-systems and additional transducers. In selected sections of two test fields static and dynamic deformations, pressures, and accelerations in one or two directions were measured in different depths. Synchronous measurement of roller and soil data enabled the investigation of the interaction between roller and soil.
In a special test weak spots were placed and covered with layers of granular fill material. Each layer was compacted separately with the test rollers and documented with CCC. Thus, the influence of weak spots in the sub-soil on the motion behaviour of the roller drums, on the CCC-values, and on the automatic control system of the Vario-Control-roller could be investigated.

Results of computer simulations and measured data from large-scale in-situ tests were analysed and interpreted. Revealed effects of the rollers were compared. The comparison of the theoretical studies and practical investigations resulted in important scientific findings regarding soil compaction, whereby well-known phenomena could be confirmed. Furthermore relevant information for practical application was found. To sum up, the comprehensive research work has lead to a significant improvement of compaction equipment, of compaction technique and of compaction control.

In der vorliegenden Forschungsarbeit wird die "Flächendeckende Dynamische Verdichtungs-kontrolle" (FDVK) im Zusammenhang mit Walzen untersucht, die unterschiedliche dyna-mische Erregungsarten aufweisen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Oszillationswalze und der Vario-Walze bzw. der selbstregelnden Vario-Control-Walze.
Die Bandage einer Oszillationswalze wird durch zwei gegenüberliegende rotierende Un-wuchtmassen, deren Achsen exzentrisch zur Bandagenachse angeordnet sind, in eine Torsionsschwingung versetzt. Dadurch wird der Boden bei der Oszillationsverdichtung zu-sätzlich zur statischen Auflast mit dynamischen Horizontalkräften belastet, welche zusätzliche Schubverzerrungen hervorrufen.
Bei einer Vario-Walze versetzen zwei zentrisch in der Bandagenachse gelagerte gegen-laufende Unwuchtmassen die Bandage in eine gerichtete Schwingung. Durch das Verdrehen der gesamten Erregereinheit kann die Richtung der dynamischen Erregung gewählt werden.
Die selbstregelnde Vario-Control-Walze ist eine Weiterentwicklung der Vario-Walze und stellt die Erregerrichtung automatisch nach gewissen Regelkriterien auf die Untergrund-verhältnisse ein, um die Verdichtung zu optimieren und eine hohe Gleichmäßigkeit zu erzielen.

Die FDVK ist eine arbeitsintegrierte, walzenintegrierte Methode, um den Verdichtungserfolg durch dynamisch erregte Walzen flächendeckend zu überprüfen. Aus dem Bewegungsverhalten des dynamisch erregten Walze-Boden-Interaktionssystems werden dynamische Kennwerte ermittelt, die im Zusammenhang mit der Bodensteifigkeit stehen. Der Verdichtungserfolg und die damit verbundene Zunahme der Tragfähigkeit des Bodens kann bereits während der Verdichtung beurteilt werden, und die Meßwerte werden zur Dokumentation gespeichert. Für Vibrationswalzen und Vario-Walzen mit schräg oder vertikal eingestellter Erregerrichtung stehen als FDVK-Systeme das Compactometer mit dem dynamischen Meßwert CMV und das Terrameter mit dem OMEGA-Wert zur Verfügung. Mit Oszillationswalzen kann der Verdichtungserfolg mit Hilfe des Oszillometers und dem zugehörigen Meßwert OMV überprüft werden

Im Zuge dieses Forschungsvorhabens wurde anhand von Computersimulationen das horizontale Bewegungsverhalten von Oszillationswalzen und Vario-Walzen mit horizontal eingestellter Erregerrichtung untersucht. Zur Modellierung des Interaktionssystems Walze-Boden wurde der elastische Halbraum des Bodens durch ein physikalisches Konusmodell auf einen Kelvin-Voigt-Körper reduziert.

In großmaßstäblichen Versuchen wurden eine Oszillationswalze und ein Prototyp einer Vario-Control-Walze auf bindigem und nichtbindigem Material getestet. Auf den Testwalzen waren die entsprechenden FDVK-Systeme und zusätzliche Aufnehmer installiert. In Versuchsfeldern wurden Sensoren zur dynamischen Druck-, Verformungs- und Beschleunigungsmessung in unterschiedlichen Tiefen versetzt. Durch die synchrone Messung der Walzen- und der Bodenmeßdaten konnte das Zusammenspiel von Walze und Boden bei der dynamischen Ver-dichtung dokumentiert werden. In einem Sonderversuch wurde eine definierte Schwachstelle lagenweise überschüttet, jede Lage mit den Testwalzen verdichtet und mit der FDVK ge-messen. Dabei konnte der Einfluß einer Schwachstelle im Untergrund auf das Bewegungs-verhalten der Walzen, auf die FDVK-Werte und auf die automatische Regelung der Vario-Control-Walze studiert werden.

Die Ergebnisse der Computersimulation und die gemessenen Daten aus den experimentellen Untersuchungen wurden ausgewertet, analysiert und in weiterer Folge für die Testwalzen gegenübergestellt und interpretiert. Aus dem Vergleich von Theorie und Experiment konnten für die Bodenverdichtung wichtige Schlüsse gezogen und bereits bekannte Phänomene be-stätigt werden. Weiters wurden für die Praxis relevante Fragestellungen aufgeworfen und dis-kutiert, was zu einer Optimierung von Verdichtungsgeräten, Verdichtungsweisen und Verdichtungskontrollen führte.