Verfahren und Vorrichtung zur Probeentnahme und zum Messen bodenphysikalischer Kennwerte des Untergrundes Die ingenieurgeologisehe Untergrunderkun dung, beispielsweise zur Beantwortung von Fragen der Bauplanung und Gründung von Bauwerken,
muss - abgesehen von geophy si- kalisehen Fläehenuntersuehungen - ausgehen von bodenphysikalisehen Laboratoriumsmes sungen an möglichst ungestört aus dem Unter grund entnommenen Proben oder von Feld methoden zur Testung bestimmter Erdstoff- Kennziffern im Untergrund eines Gelände punktes.
Die Laboratoriumsmessungen bieten den grundsätzlichen Vorteil, dass durch konven tionelle Messgeräte und Messverfahren für Erdstoffe gleicher bautechnischer Eigenschaf ten stets reproduzierbare gleiehwertige, von störenden Einflüssen befreite Messwerte erhal ten werden.
Dieser Vorteil besteht streng ge nommen nur in der Idee, da 1. der Zustand der im Laboratorium ge messenen Proben, u. a. durch die zum Einbau in die Messgeräte notwendigen Manipulationen nicht mehr dem natürliehen Zustand der Untergrundsehiehten im Untergrund ent spricht, aus denen die Probe stammt, und ?. der Untergrund als pseudofester Kör per seine bauteehnisehen und hydrologischen Eigensehaften nur aus den zeitabhängigen Zustandsänderungen unter dem Einfluss ab klingender 'äusserer Störungen gewinnt.
Immerhin liefern die üblichen bodenphysi kalischen Laboratoriumsmessungen, sofern das natürliche Raumgewicht der vermessenen Probe ermittelt werden kann, brauchbare Aus gangswerte für bodenmechanische Berechnun gen.
Die genannten Versuche erfordern aber be sonders bei bindigen Böden sehr viel Zeit. Das hat für das Bauwesen sehr unliebsame Fol gen, da oft schwerwiegende Entscheidungen getroffen werden müssen, ohne dass dabei das Ergebnis der bodenphysikalischen Unter- suehungen zu Grunde gelegt werden kann.
Diesem Umstand verdanken die Feld inethoden zum schnellen Abtasten des Unter grundes einen Teil ihrer Beliebtheit in der Baupraxis. Zu nennen sind: Die Messung und Aufzeiehnung des Spitzenwiderstandes und der Mantelreibung abhängig von der Eindringtiefe, beim Ein treiben (meistens Rammen) von Pfählen die Registrierung des Widerstandes von Spit.zen- drucksonden, die Aufnahme der Zeitset.zungs- oder Drueksetzungslinie von Probebelastungs- flächen,
die Messung der Torsionsfestigkeit der Aufsehluss-Sohle und das Abdrücken der Bohrlochsohle oder Bohrloehwandungen.
Beim erfindungsgemässen Verfahren zur Probeentnahme und zum Messen bodenphysi kalischer Kennwerte des Untergrundes werden ungestörte Erdstoffproben in situ wenigstens teilweise abgegrenzt und in situ vermessen und ungestört entnommen. Unter dem Begriff in situ ist an Ort und Stelle, in ungestÖr- ter Lage zu verstehen.
Dieses Verfahren ersetzt die konventio nelle Untergrundtestung durch die Messung der bodenphysikalischen Kennwerte im Auf schluss. Mit Hilfe geeigneter Testzurüstungen werden die Normalversuehe aus dem Laborato rium im Aufschluss durchgeführt, und zwar zweckmässig in Verbindung mit der Herstel lung des Aufschlusses; durch schrittweises Kernen können ausserdem von allen Erdstoff- arten ungestörte Proben für die Raumge- wichtsbestimmung und für Vergleichsmessun gen des Verhaltens gewonnen werden, durch die die im Felde registrierten Messwerte er gänzt und bestätigt werden können.
Die zur Durchführung des erfindungs gemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäss der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, dass Zurüstungen zur Entnahme, zur Messung der Scherfestigkeit, der Steife, der Grundwassergeschwindigkeit, der kapillaren Steighöhe und der Frostempfindlichkeit der Probe sowie zur Durchführung von Probe belastungen baukastenartig auswechselbar an einem Gestänge anschliessbar sind.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele von zur Durch führung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Vorrichtungen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht, in teilweisem Schnitt, eines Entnahmekopfes für Sand. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Filtertestzurüstung.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Entnahmezurüstung für bindige Erdstoffe. Fig. 4 zeigt in schematischer Weise eine Zurüstung zur Messung der Scherfestigkeit. Fig. 5 zeigt einen teilweisen Schnitt durch eine Einzelheit der Vorrichtung nach Fig. 4.
Fig. 6 zeigt einen teilweisen Schnitt durch eine weitere Einzelheit der Vorrichtung nach Fig. 4.
Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Entnahmezu rüstung nach Fig. 3. Fig. 8 zeigt ebenfalls einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Zu rüstung nach Fig. 3.
Fig. 9 zeigt den Schnitt durch eine Einzel heit der Einrichtung nach Fig. 4, die an Stelle der Hebelpresse verwendet werden kann.
Fig. 10 zeigt eine Filtertestzurüstung für bindige Erdstoffe.
Nach Fig. 1 ist mit dem untern Ende des Gestänges 1 ein Kupplungsring 2 verbunden, wobei zwischen dem Gestänge 1 und dem Kupp lungsring 2 ein Dichtungsring 17 vorhanden ist, um eine wasserdichte Verbindung zu er halten. In den Kupplungsring 2 ist der Kupp lungsschaft 8 eingesehraubt, an dem der Kopf 11 eines Entnahmerohres 3 befestigt ist, in dem der Kopf 11 durch Spannkeile 1.2, die durch einen Spannkonus 13 und einen Spann ring 14 festgezogen werden, gegen einen ab gesetzten, scheibenförmigen Teil 7 des Kupp lungsschaftes 8 angedrückt wird. Dadureh. können vom Gestänge 1 sowohl Zug- als auch Druekkräfte auf das Entnahmerohr 3 über tragen werden.
Am Kupplungsschaft 8 ist mittels eines Ringes 6' ein Hülsenteller 6 be festigt, an dem das obere Ende einer Proben hülse 5 angebracht ist, während das untere Ende dieser Hülse 5 durch einen Hülsenring 9 getragen wird, der in das Entnahmerohr 3 eingesteckt ist, an das ferner ein Schneiden körper 4 angeschraubt ist..
Die Probenhülse 5 besteht aus verzinktem Eisenblech oder aus transparentem Kunststoff, vorzugsweise aus Zellulose-Azetat oder einem harten, kratz- festen Kunstharz, beispielsweise Polyvinyl- chlorid oder einem Misehpoly merisat auf der Basis von Acrylsäureestern. Unter dem Druck des Gestänges 1 dringt der Schneidenkörper 4 in den Erdboden ein und die Probe dringt in die Probenhülse 5 ein.
Im Schneidenkörper 4 sitzt ein hohler Frierring 10, in welchen hoch komprimierte flüssige Kohlensäure durch eine durchsichtige Leitung eingeleitet und mittels einer Sehlauchleitung auf Atnxospbärendrxielz entspannt wird. Der Frierring 10 kann auf diese Weise eine dünne Scheibe der in das Entnahmerohr eingedrungenen Probe aus frieren. Eine Ziehwulst 15 ermöglicht es, bei hoehgezogenem Entnahmekopf die Hülse 5 mit der Probe vom Hülsenteller 6 zu trennen. Ferner kann dann die Hülse 5 mit der Probe vom Frostpfropfen gelöst und aus dem Ent nahmerohr 3 herausgenommen werden.
Der Frostpfropfen bleibt hierbei im Frierring 10 sitzen und kann gesondert entnommen werden.
Die zum Ausfrieren eines scheibenförmi gen Teils der Probe erforderliche Kälte könnte auch durch Zuführung eines andern Kälte mittels in den Frierring 10 erhalten werden. Ferner könnte ein Kältekontaktelement, das z. B. eine konvexe oder konkave Platte oder eine einzupressende Spitze ist und mit Hilfe von isolierenden Organen gegen Kälteüber gang auf das Gestänge geschützt ist, vorhan den sein, durch welches ungestörte Proben teilweise abgegrenzt und an dieses Kälteele ment angefroren werden können.
(Temäss Fig. 2 ist in dem hohlen Gestänge 1 (s. auch Fig. l.) unten ein Saugkorb 16 mit Saugventil 16', 22 vorhanden. Dieser Saug korb 16 kann durch das Crestänge 1 bis zur gewünschten Entnahmetiefe - herabgelassen werden. Der untere Teil des Gestänges kann hierbei als Schlammbüchse dienen. Der einge drungene Bohrschlamm kann mit Hilfe des Saugkorbes 7 6 und einer an der Erdober fläche befindlichen Pumpe entfernt werden. Gegebenenfalls kann man hierbei unter Zu gabe von Spülwasser arbeiten.
Durch die Diehtungsringe 17, die zwischen jedem Ge- stängestoss eingepresst werden, ist das Ge- stängeinnere wasserdicht nach aussen abge schlossen, so dass auch die Möglichkeit besteht, leicht aufsehwimmende Flüssigkeit unter überdruck zu entnehmen.
Bei der Filtertestzurüstung nach Fig. 2 dient das Gestänge 1 als Messrohr für das durch die Probe und den Filterstein, z. B. 18 in Fig. 3, hindurch eindringende Wasser. Eine Bandleitung 19 als Bandmass kalibriert, wird als Haltekabel für den Messschaft 20 benutzt, der die Kontaktschwimmer 21 und über ein Zwischenstück 26 das Saugventil 16', 22 trägt, mit dem über die Schlauchleitung 23 der Wasserstand im Messrohr abgesenkt, werden kann.
Ein durchbohrter Gestängestopfen 24 hält das Bandmass mit dem lotartigen Mess- schaft in der gewünschten Tiefe unter Grund. Die Abstandhalter 25 sorgen dafür, dass der Messschaft koaxial im Gestänge geführt wird.
Zur Messung der Filtergeschwindigkeit in situ ist das Druckgefälle frei wählbar, weil der Wasserstand im Messrohr durch Abpum pen gesenkt und der Messschaft 20 zur Mes sung der Zu- oder Abnahme der Wassermenge am Haltekabel 19 in beliebige Höhe ins Mess- rohr gebracht und festgehalten werden kann. Der Weg des Wassers ist ohne Querschnitts- Verengung durch die in den Stutzen einge drungene Erdstoffprobe vorgeschrieben (siehe Fig. 1).
Zur Bestimmung der Filtergeschwindig keit von Untergrundschichten, die zur Zeit der Messung über dem freien oder künstlich abgesenkten Grundwasserspiegel liegen, kann die Versickerung bzw. Abnahme des Wasser standes im Messrohr gemessen werden.
Fig. 3 zeigt eine Entnahmezurüstung für bindige Erdstoffe mit einem im Entnahme rohr 3 verschiebbaren Gleitkolben 28, einem mit diesem Kolben verbundenen Innenge stänge 27 und einem Entwässerungs- bzw. Entlüftungskanal 47.
In den Fig. 4-6 ist eine Zurüstung zur Messung der Scherfestigkeit der Erdstoffe bei behinderter Seitenausdehnung im Aufschluss dargestellt. Am untern Gestängeende 1' (Fig. 6) ist ein Scherkopf 29 angebracht und auf das obere Gestängeende 1" (Fig. 5) ein Drehstück 30 mit Auflastteller 31 aufge schraubt. Auf den Auflastteller 31 wirkt der Kraftarm 32 einer Hebelpresse ein und übt lotrechte Drüeke beliebig einstellbarer Grösse aus.
Das Drehstück 30 besitzt unten einen aus zwei Kegelrädern 33 und 34 bestehenden Winkeltrieb. Das um die horizontale Achse drehbare Kegelrad 33 dieses Winkeltriebes besitzt einen Vierkant 35, auf den mit einem gewissen horizontalen Bewegungsspiel ein Scherhebel 36 aufgesetzt ist. Durch Be lastung durch eine Hebelwaage 37 mit konti nuierlich veränderlichen Gewichten, z. B. durch Füllung eines Behälters 38 mit Queck silber, kann der Vierkant 35 des Kegelrades 33 gedreht und dadurch das Gestänge 1. um seine Längsachse verdreht werden. Um bei dieser Belastung stets das gleiche Drehmoment auf das Gestänge zu übertragen, wird die Hebellänge des Scherarmes durch eine Füh rungskulisse 39 konstant gehalten.
Die Drehbewegung des Gestänges 1 über trägt sich auch auf den Scherkopf 29, der eine zylindrische Schneide 40 und einen koaxialen Dorn 41 besitzt, um ihn mit dem vom Kraft arm 32 der Hebelpresse ausgeübten Bela stungsdruck in den Untergrund einpressen zu können.
Durch die Haftung und Reibung von Schneide 40 und Dorn 41 am gedrückten Erd reich bewegt sich, der Drehbewegung des Cre- stänges folgend, nur der innere. Teil 42 des Scherkopfes 29, der durch zwischengeschaltete Kugellager 43 gegen Schneide und Dorn ver- drehbar ist.
Der Kraftschluss dieses innern Scher kopfes gegen den Erdstoff erfolgt durch ge zackte Filtersteine 44. Sie sind in einem Kreisring angeordnet, der durch hervor ragende Schneiden 45 aufgefächert ist. Der Kraftsehluss kann auch durch Stahlblech schneiden allein oder mittels gezackter oder auf andere Weise profilierter Filtersteine allein erfolgen.
Fig. 7 zeigt eine ähnliche Entnahmezu rüstung wie Fig. 3, mit welcher die Steife oder Elastizität auf der Aufschlusssohle gemessen werden kann. Diese Ausrüstnug wird mit dem Gleitkolben 28 bis zur Nullstellung in den Untergrund eingepresst. Bei feststehendem Aussengestänge 1 mit Entnahmerohr 3 wird dann das Innengestänge 27 durch den Kraft hebel 32 (Fig. 4, 5) einer Hebelpresse gegen den im Rohr befindlichen, mit dem ungestör ten Untergrund noch verbundenen Proben körper 46 gedrückt, wobei die Drucksetzung gemessen und registriert wird.
Analog dem normalen Zusammendrük- kungsversueh bei behinderter Seitenausdeh nung im Laboratorium wird dem gespannten Porenwasser über den in der Druckfläche des Gleitkolbens 28 eingelassenen Filterstein 18 und den Entwässerungs- bzw. Entlüftungs- kanal 47 ein Weg zur Atmosphäre geöffnet. Der Belastungsvorgang kann durch Ent lastungen und Wiederbelastungen in bekann ter Weise unterbrochen werden. Nach Durch führung der Messung kann durch Bewegung des Innengestänges 27 mit, dem Kolben 28 gegenüber dem Aussengestänge 1 mit dem Entnahmerohr 3 über die Nullstellung des Kolbens hinaus in die Zustellung ein Unter druck zur unterstützungsweisen Festhaltung des Probekörpers im Stutzen beim Ziehen aus geübt werden.
Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung, mittels wel cher ohne Hebelpresse das Innengestänge 27 gegen das Aussengestänge 1 bewegt werden kann. Die Entlastungsvorrichtung besteht aus einem Keilgetriebe, das zwei gabelförmig zu einander passende Keile 48 und 49 aufweist, die zwischen einem auf das Gestänge für die Entnahmezurüstung aufschraubbaren Planseh 51 und einem an dem Kolbengestänge aasge brachten Flansch 52 geführt und mit Hilfe einer Schraubenzwinge 50 aufeinanderge- schoben werden können.
Die Filtertestzurüstung nach Fig. 10 wird für bindige Erdstoffproben mit sehr geringer Wassersbewegung im Korngerüst (d. h. gerin gem spannungsfreiem Porenvolumen) ver wendet.
Im Gleitkolben 28 befindet sich ein beson deres Messrohr 53 mit einer Schwimmeranord nung 54 für die Kontaktgabe, ähnlich dem in Fig. 2 beschriebenen. Solange bei der Ein bringung des Entnahmerohres 3 der Proben körper in das Rohrinnere. hineingleitet, ist in beschriebener Weise für Luft und Wasser ein Ausweg zur Atmosphäre geöffnet, wäh rend gleichzeitig das Messrohr 53 verschlossen ist. Soll, nachdem der Probenkörper bis an den Filterstein 18 eingedrungen ist, der Was serdurchlässigkeitsbeiwert gemessen werden, so kann durch Seilzug 55 der Entwässerungs- und Entlüftungskanal 47 geschlossen werden.
Gleichzeitig wird dadurch der Zugang in das Messgefäss 53 geöffnet, das durch die Ent lüftungslöcher 56 oder einen Schlauchansatz 57 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Zur Messung der Geschwindigkeit des Bodenwassers für nicht bindige, grossporige, gut wasserdurchlässige Erdstoffe wird die Entnahmezurüstung nach Fig. 1 durch den Messschaft nach Fig. 2 ergänzt.
Im Entnahmerohr 3 kann noch eine Ein spritzdüse 58 (vergl. Fig. 1) für eine Salz lösung vorgesehen sein, die es ermöglicht, aus der Änderung des Elektrolyt-Widerstandes im Messgefäss die wahre Grundwassergeschwin- digkeit neben der scheinbaren zu ermitteln und aus dem Quotienten der scheinbaren zur wahren Geschwindigkeit das spannungsfreie Porenvolumen zu bestimmen. An Stelle -von Salzlösungen können auch Farbindikatoren zur Kennzeichnung unterirdischer Wasser wege verwendet werden.
Für die Messung der kapillaren Steighöhe bzw. der Höhe bis ztt der die Adhäsion des Wassers an das Korngerüst ausreicht, das durch elektrochemische Oberflächenkräfte in den engen Porenräumen des Erdstoffes hoch steigende Wasser ohne grössere Lufteinschlüsse testzuhalten, kann die Filtertestzurüstung für Sand benutzt werden.
Die freie Verbindung zur Atmosphäre wird dann zum Beispiel ge mäss Fig. 1 und 2 ausgenutzt, einen Luft druck auf die Bodenprobe auszuüben. Der Druck steigt nur so lange, bis die Luft durch die wassergefüllten Poren des Erdstoi'i.'es durchbricht.. Der maimal gehaltene Druck ist der kapillaren Steighöhe proportional.
An Stelle von Druckluft können auch Crase oder thixotrope Flüssigkeiten oder zur Ver- mörtelung oder Verfestigung der Erdstoff- probe dienliche Lösungen eingebracht werden.
Der Prostempfindlichkeitsgrad von Erd- stoffen in natürlicher Lagerung kann durch Ausfrieren mit. Hilfe der Entnahmezurüstung für Sand gemäss Fig. 1 mit dem Frierring bestimmt werden, weil bei frostgefährdeten Erdstoffen der Wassergehalt beim Frieren beträchtlich zunimmt (Eislinsenbildung). Durch Vergleich des Wassergehaltes des aus gefrorenen Teils mit dem Wassergehalt eines nicht.
gefrorenen Teils der Probe kann die Frostgefährlichkeit von Untergrundsehiehten in natürlicher Lagerung beurteilt werden, he- sonders im Hinblick auf die Lage des Grund wasserspiegels und die über oder unterlagern den Schichten.
Mittels der beschriebenen Vorrichtung er folgt die Probeentnahme und das Messen bodenphysikalischer Kennwerte des Unter grundes dadurch, dass mit stetiger Einpress- geschwindigkeit und statisch wirkendem Druck durch das Entnahmerohr ungestörte Erdstoffproben in situ teilweise oder ganz abgegrenzt und diese Proben in situ vermes sen und ungestört entnommen werden.
Die Messungen können dabei wahlweise auf jeweils interessierende Kennwerte be schränkt werden. Die Probeentnahme nach dem Verfahren kann wahlweise durch andere Auf schlussverfahren unterbrochen werden, bei spielsweise wenn bereits bekannte Schichten schnell durchfahren werden sollen oder eine feste Zwischenlage durchmeisselt werden muss usw.
Durch statisches Einpressen wird die Stö rung des Untergrundes vermieden und durch die gezeigte Konstruktion des Entnahme kopfes tritt in die Sonde ein ungestörter Erd- stoffkörper ein, wodurch die meisten Messun gen im Sinne des Verfahrens überhaupt erst ermöglicht werden.
Der baukastenartige Aufbau besteht darin, dass einzelne Teile der Vorrichtung, wie sie gerade für die verschiedenen Messungen be nötigt werden, unter sich beliebig und schnell ausgetauscht oder auch miteinander axn Ge stänge vereinigt werden können. Die Bau kastenelemente sind vor allem die folgenden:
Zurüstung für die Entnahme rolliger Locker gesteine, Zurüstung für die Messung der Geschwindig keit der Wasserbewegung des Bodenwas sers durch das ungestörte Korngerüst bei wählbarem Gefälle (Filtertest), Zurüstung für die Entnahme bindiger Erd- stoffe, Zurüstung für die Messung der Scherfestig keit bei behinderter Seitenausdehnung, Zurüstung für die Messung der Tragkraft der Menisken des Kapillarwassers in nicht wassergesättigten Lockergesteinen und für die Messung der Frostempfindlichkeit von Erdstoffen in natürlicher Lagerung, Zurüstung für Probebelastungen auf der Bau grube der Aufschlusssohle.
Method and device for taking samples and for measuring soil physical characteristics of the subsoil The engineering geological subsoil exploration, for example to answer questions about construction planning and the foundation of structures,
must - apart from geophysical surface examinations - be based on soil physical laboratory measurements on samples taken from the subsurface as undisturbed as possible or on field methods for testing certain soil parameters in the subsoil of a site point.
The laboratory measurements offer the fundamental advantage that using conventional measuring devices and measuring methods for earth materials with the same structural properties, reproducible measured values of the same value and free of interfering influences are always obtained.
Strictly speaking, this advantage consists only in the idea that 1. the condition of the samples measured in the laboratory, etc. a. Due to the manipulations necessary for installation in the measuring devices, no longer corresponds to the natural state of the subsurface seen in the subsurface from which the sample originates, and?. the subsoil, as a pseudo-solid body, gains its structural and hydrological properties only from the time-dependent changes in state under the influence of subsiding external disturbances.
After all, the usual soil physical laboratory measurements provide usable starting values for soil mechanical calculations, provided that the natural density of the measured sample can be determined.
The experiments mentioned require a lot of time, especially with cohesive soils. This has very unpleasant consequences for the construction industry, as serious decisions often have to be made without the result of the physical soil examinations being taken as a basis.
It is to this fact that the field methods for quickly scanning the subsurface owe part of their popularity in building practice. The following are to be mentioned: The measurement and recording of the tip resistance and the skin friction depending on the penetration depth, when driving (mostly ramming) piles, the recording of the resistance of tip pressure probes, the recording of the timing or pressure line of test loading areas,
the measurement of the torsional strength of the outcrop floor and the pressing of the bottom of the borehole or the walls of the borehole.
In the method according to the invention for taking samples and for measuring soil-physical characteristics of the subsurface, undisturbed soil samples are at least partially delimited in situ and measured in situ and removed undisturbed. The term in situ is to be understood on the spot, in an undisturbed position.
This procedure replaces conventional subsoil testing by measuring the physical characteristics of the soil in the digestion. With the help of suitable test equipment, the normal tests from the laboratory are carried out in the digestion, and in fact in connection with the preparation of the digestion; step-by-step nucleation can also be used to obtain undisturbed samples of all types of earth for determining the volume weight and for comparative measurements of the behavior, which can be used to supplement and confirm the measured values recorded in the field.
The device according to the invention, which is suitable for carrying out the method according to the invention, is characterized in that equipment for sampling, for measuring the shear strength, stiffness, groundwater velocity, capillary rise and frost sensitivity of the sample and for carrying out sample loads can be replaced in a modular manner can be connected to a linkage.
The invention is explained below using a few exemplary embodiments of devices suitable for implementing the method according to the invention.
Fig. 1 shows a view, in partial section, of a removal head for sand. Fig. 2 shows a longitudinal section through a filter test equipment.
Fig. 3 shows a longitudinal section through a removal equipment for cohesive soil. Fig. 4 shows in a schematic manner a fitting for measuring the shear strength. FIG. 5 shows a partial section through a detail of the device according to FIG. 4.
FIG. 6 shows a partial section through a further detail of the device according to FIG. 4.
FIG. 7 shows a longitudinal section through a further embodiment of the removal equipment according to FIG. 3. FIG. 8 likewise shows a longitudinal section through a further embodiment of the equipment according to FIG. 3.
Fig. 9 shows the section through a single unit of the device of FIG. 4, which can be used in place of the lever press.
Fig. 10 shows a filter test kit for cohesive soil.
According to Fig. 1, a coupling ring 2 is connected to the lower end of the linkage 1, wherein a sealing ring 17 is provided between the linkage 1 and the Kupp treatment ring 2 to keep a watertight connection to it. In the coupling ring 2 of the coupling shaft 8 is einehraubt, to which the head 11 of a removal tube 3 is attached, in which the head 11 by clamping wedges 1.2, which are tightened by a clamping cone 13 and a clamping ring 14, against a set off, disc-shaped Part 7 of the coupling shaft 8 is pressed. Dadureh. Both tensile and compressive forces can be transferred to the extraction tube 3 from the linkage 1.
On the coupling shaft 8 is a sleeve plate 6 be fastened by means of a ring 6 ', on which the upper end of a sample sleeve 5 is attached, while the lower end of this sleeve 5 is supported by a sleeve ring 9 which is inserted into the sampling tube 3, on that also a cutting body 4 is screwed on ..
The sample sleeve 5 consists of galvanized iron sheet or of transparent plastic, preferably of cellulose acetate or a hard, scratch-resistant synthetic resin, for example polyvinyl chloride or a mixed polymer based on acrylic acid esters. Under the pressure of the rod 1, the cutter body 4 penetrates the ground and the sample penetrates into the sample sleeve 5.
In the cutter body 4 there is a hollow freezing ring 10, into which highly compressed liquid carbonic acid is introduced through a transparent line and expanded to atnxospbärendrxielz by means of a tube line. In this way, the freezing ring 10 can freeze a thin slice of the sample that has penetrated into the extraction tube. A pulling bead 15 makes it possible to separate the sleeve 5 with the sample from the sleeve plate 6 when the removal head is raised. Furthermore, the sleeve 5 with the sample can then be released from the frost plug and removed from the receiving tube 3.
The frost plug remains in the freezing ring 10 and can be removed separately.
The cold required to freeze out a disk-shaped part of the sample could also be obtained by supplying another cold by means of the freezing ring 10. Furthermore, a cold contact element that z. B. a convex or concave plate or a tip to be pressed and is protected with the help of insulating organs against Kälteüber transition to the linkage, IN ANY the, through which undisturbed samples partially delimited and can be frozen to this Kälteele element.
(In Fig. 2 there is a suction basket 16 with suction valve 16 ', 22 in the hollow rod 1 (see also Fig. 1) at the bottom. This suction basket 16 can be lowered through the crest rod 1 to the desired removal depth The lower part of the rod can serve as a mud canister. The drilling mud that has penetrated can be removed with the aid of the suction strainer 7 6 and a pump located on the surface of the earth. If necessary, you can work with the addition of flushing water.
Due to the sealing rings 17, which are pressed in between each rod joint, the interior of the rod is watertight to the outside, so that it is also possible to remove slightly floating fluid under excess pressure.
In the filter test equipment according to FIG. 2, the rod 1 serves as a measuring tube for the through the sample and the filter stone, z. B. 18 in Fig. 3, penetrating water. A tape line 19, calibrated as a tape measure, is used as a retaining cable for the measuring shaft 20, which carries the contact floats 21 and, via an intermediate piece 26, the suction valve 16 ', 22 with which the water level in the measuring tube can be lowered via the hose line 23.
A pierced rod plug 24 holds the tape measure with the plumb-line measuring shaft at the desired depth below the ground. The spacers 25 ensure that the measuring shaft is guided coaxially in the rod.
To measure the filter speed in situ, the pressure gradient is freely selectable because the water level in the measuring tube is lowered by pumping out and the measuring shaft 20 can be brought into the measuring tube at any height to measure the increase or decrease in the amount of water on the holding cable 19 and held there . The path of the water is prescribed without a cross-sectional narrowing by the soil sample that has penetrated into the nozzle (see Fig. 1).
To determine the filter speed of subsurface layers that are above the free or artificially lowered groundwater level at the time of measurement, the seepage or decrease in the water level in the measuring tube can be measured.
Fig. 3 shows a removal equipment for cohesive soil with a sliding piston 28 displaceable in the removal pipe 3, an inner rod 27 connected to this piston and a drainage or ventilation channel 47.
In FIGS. 4-6, equipment for measuring the shear strength of the soil is shown in the case of hindered lateral expansion in the outcrop. A shaving head 29 is attached to the lower rod end 1 '(Fig. 6) and a rotating piece 30 with load plate 31 is screwed onto the upper rod end 1 "(Fig. 5). The force arm 32 of a lever press acts on the load plate 31 and exercises perpendicularity Press any adjustable size.
The rotating piece 30 has an angular drive consisting of two bevel gears 33 and 34 at the bottom. The bevel gear 33 of this angular drive, which is rotatable about the horizontal axis, has a square 35 on which a shear lever 36 is placed with a certain horizontal movement. By loading a lever scale 37 with continuously variable weights, z. B. by filling a container 38 with mercury, the square 35 of the bevel gear 33 can be rotated and thereby the linkage 1. can be rotated about its longitudinal axis. In order to always transmit the same torque to the linkage with this load, the lever length of the shear arm is kept constant by a guide link 39.
The rotary movement of the linkage 1 is also carried over to the shaving head 29, which has a cylindrical cutting edge 40 and a coaxial mandrel 41 in order to be able to press it into the ground with the load pressure exerted by the force arm 32 of the lever press.
Due to the adhesion and friction of cutter 40 and mandrel 41 on the pressed soil, only the inner one moves, following the rotary movement of the cre-rod. Part 42 of the shaving head 29, which can be rotated against the cutting edge and mandrel by means of ball bearings 43 connected in between.
The frictional connection of this inner shear head against the earth is achieved by serrated filter stones 44. They are arranged in a circular ring that is fanned out by protruding cutting edges 45. The power supply can also cut through sheet steel alone or by means of serrated or otherwise profiled filter stones.
Fig. 7 shows a similar withdrawal equipment as Fig. 3, with which the stiffness or elasticity on the digestion sole can be measured. This equipment is pressed into the ground with the sliding piston 28 up to the zero position. When the outer linkage 1 with extraction tube 3 is fixed, the inner linkage 27 is then pressed by the force lever 32 (Fig. 4, 5) of a lever press against the sample body 46 located in the tube, still connected to the undisturbed subsoil, the pressure setting being measured and registered becomes.
Analogous to the normal compression test with hindered lateral expansion in the laboratory, a path to the atmosphere is opened for the strained pore water via the filter stone 18 embedded in the pressure surface of the sliding piston 28 and the drainage or ventilation channel 47. The loading process can be interrupted by relieving and reloading in a well-known manner. After performing the measurement, by moving the inner rod 27 with the piston 28 against the outer rod 1 with the extraction tube 3 beyond the zero position of the piston in the delivery, a negative pressure can be exercised to support the holding of the specimen in the nozzle when pulling.
FIG. 9 shows a device by means of which the inner linkage 27 can be moved against the outer linkage 1 without a lever press. The relief device consists of a wedge gear that has two fork-shaped wedges 48 and 49 that fit together and that are guided between a planer 51 that can be screwed onto the rod for removal equipment and a flange 52 attached to the piston rod and pushed together with the help of a screw clamp 50 can be.
The filter test kit of Fig. 10 is used for cohesive soil samples with very little water movement in the grain structure (i.e., low stress-free pore volume).
In the sliding piston 28 there is a special measuring tube 53 with a Schwimmeranord voltage 54 for making contact, similar to that described in FIG. As long as the introduction of the sampling tube 3 of the sample body into the tube interior. slides in, a way out to the atmosphere is opened in the manner described for air and water, while rend the measuring tube 53 is closed. If, after the specimen has penetrated up to the filter stone 18, the water permeability coefficient should be measured, the drainage and ventilation channel 47 can be closed by pulling the cable 55.
At the same time, this opens access to the measuring vessel 53, which is connected to the atmosphere through the ventilation holes 56 or a hose attachment 57. To measure the speed of the ground water for non-cohesive, large-pored, well water-permeable soil, the extraction equipment according to FIG. 1 is supplemented by the measuring shaft according to FIG.
An injection nozzle 58 (see FIG. 1) for a salt solution can also be provided in the extraction pipe 3, which makes it possible to determine the true groundwater velocity in addition to the apparent velocity from the change in the electrolyte resistance in the measuring vessel and from the quotient the apparent to the true speed to determine the tension-free pore volume. Instead of saline solutions, color indicators can also be used to mark underground waterways.
The filter test equipment for sand can be used to measure the capillary rise height or the height to which the adhesion of the water to the grain structure is sufficient to test the water, which rises high in the narrow pore spaces of the earth due to electrochemical surface forces, without large air inclusions.
The free connection to the atmosphere is then used, for example, according to FIGS. 1 and 2, to exert an air pressure on the soil sample. The pressure only rises until the air breaks through the water-filled pores of the soil. The pressure that is maintained is proportional to the capillary rise.
Instead of compressed air, crash or thixotropic liquids or solutions useful for grouting or solidifying the soil sample can also be introduced.
The degree of prostate sensitivity of soils in natural storage can be affected by freezing out. With the aid of the removal equipment for sand according to FIG. 1 with the freezing ring, the water content increases considerably in the case of earth substances at risk of frost (ice lens formation). By comparing the water content of the frozen part with the water content of a not.
Frozen part of the sample can be used to assess the danger of frost from subsurface layers in natural storage, especially with regard to the position of the groundwater level and the layers above or below.
The device described is used to take samples and measure the physical characteristics of the subsoil by partially or completely delimiting undisturbed soil samples through the extraction pipe at constant injection speed and statically acting pressure, and measuring these samples in situ and taking them undisturbed .
The measurements can optionally be restricted to the relevant characteristic values. The sampling after the process can optionally be interrupted by other digestion processes, for example if already known layers are to be passed through quickly or a solid intermediate layer has to be chiseled through, etc.
By static pressing in, the disturbance of the subsurface is avoided and the construction of the sampling head shown allows an undisturbed soil body to enter the probe, which is what makes most measurements in the sense of the method possible in the first place.
The construction kit-like structure consists in the fact that individual parts of the device, as they are just required for the various measurements, can be exchanged quickly and at will or can also be combined with one another. The modular elements are mainly the following:
Equipment for the extraction of loose loose rock, equipment for the measurement of the speed of the water movement of the soil water through the undisturbed grain structure with a selectable gradient (filter test), equipment for the extraction of cohesive soil, equipment for the measurement of the shear strength in the case of obstructed lateral expansion , Equipment for the measurement of the load-bearing capacity of the menisci of the capillary water in unconsolidated rock that is not saturated with water and for the measurement of the frost sensitivity of earth materials in natural storage, equipment for test loads on the excavation pit of the outcrop base.