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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ermittlung
der Dichte der Bodensubstanz von Prüfgruben, wobei das Verfahren
folgende Schritte aufweist:
- – Aushub
der Bodensubstanz aus der Prüfgrube,
- – Messung
des Volumens der Prüfgrube,
- – Messungen
von Masse und Wassergehalt der ausgehobenen Bodensubstanz und
- – Ermittlung
der Dichte.
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Die
Erfindung wird für
die Bestimmung der Dichte des Bodens bei der Verdichtungsüberprüfung im
Erdbau und in der Geotechnik verwendet, da die Feuchtdichte oder
die Trockendichte des Bodens der Quotient aus der Feuchtmasse oder
Trockenmasse des Bodens und dem Prüfgrubenvolumen ist.
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Eine
ausreichende Verdichtung von Schüttmaterialien
im Erdbau ist die grundlegende Voraussetzung für eine ausreichende Standsicherheit
und eine weitgehende Setzungsfreiheit von Dämmen, die wiederum Voraussetzung
für langfristig
qualitativ hochwertige und gebrauchstaugliche Straßenkonstruktionen
sind. Das maßgebliche
Prüfmerkmal
für die
Bestimmung der Verdichtung im Erdbau ist der Verdichtungsgrad, der
als Quotient aus der Trockendichte im Feld und der im Labor bestimmten
Proctordichte definiert ist. Für
die Bestimmung der Dichte im Feld sind in der Druckschrift DIN 18125
folgende Prüfverfahren
beschrieben:
- a) das Ausstechzylinderverfahren,
- b) das Ballonverfahren,
- c) das Sandersatzverfahren,
- d) das Flüssigkeitsersatzverfahren,
- e) das Gipsersatzverfahren,
- f) das Schürfgrubenverfahren.
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Zusätzlich ist
in den Technischen Prüfvorschriften
für Boden
und Fels ein radiometrisches Verfahren mit einer Isotopeneinstichsonde
zur Bestimmung der Dichte beschrieben.
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Ein
Problem besteht darin, dass die genannten Prüfverfahren nicht an die derzeitige
Technologie angepasst worden sind.
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Die
Qualität
zumindest eines Teils der oben genannten Verfahren sind in den beiden
Druckschriften von Floss, Kudla: Qualitätsprüfungen für die Bodenverdichtung mit
statistischer Grundlage, Zeitschrift Straße und Autobahn, 6/1989, S.
217, und von Kudla: Beitrag zur statistischen Qualitätskontrolle
im Erdbau, Diss., Heft 16, des Lehrstuhls und Prüfamtes für Grundbau, Bodenmechanik und
Feinmechanik der TU München,
2/1990, beschrieben, in denen festgestellt wird, dass die zufälligen Messfehler
bei den hauptsächlich
untersuchten Verfahren-Ballonverfahren, Sandersatzverfahren und
auch Ausstechzylinderverfahren – relativ
hoch sind.
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Aus
den Ergebnissen in den beiden Druckschriften lässt sich der Prüffehler
für den
Verdichtungsgrad berechnen. Die Vergleichsstreuung σR des Verdichtungsgrades
ist bodenartabhängig
und schwankt zwischen 0,9 % und 2,0 % des Verdichtungsgrades und
ist damit sehr groß.
Damit ist der berechnete Prüffehler
für den
Verdichtungsgrad relativ groß.
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Ein
weiteres Problem besteht darin, dass die Durchführung der genannten Verfahren
zur Ermittlung der Dichte relativ lange, ca. fünfzehn bis sechzig Minuten,
dauert. Der Aufbau der Messvorrichtung und die Durchführung der
Volumenmessung sind damit relativ zeitaufwändig.
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Die
ausgemessenen Prüfgruben
sind dabei sehr klein. Bei den Ballonverfahren und Sandersatzverfahren
kann zudem maximal eine Prüfgrube
mit dreißig
Zentimeter Durchmesser ausgemessen werden. Im Regelfall haben die
Prüfgruben
einen noch kleineren Durchmesser.
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Die
Isotopeneinstichsonde des radiometrischen Verfahrens weist den höchsten Prüffehler
von allen Dichtemessverfahren auf. Das radiometrische Verfahren
kommt üblicherweise
nur auf Großbaustellen
zum Einsatz, da bei deren Anwendung erhebliche Strahlenschutzbedingungen
zu beachten sind, was als ein Problem angesehen werden kann.
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Die
Beschreibung der genannten Messverfahren zur Bestimmung der Trockendichte
im Feld zeigen, dass sie wesentliche Probleme bei der Bestimmung
der Dichte in Bezug auf
- – eine ausreichende Wiederhol-
und Vergleichsgenauigkeit,
- – eine
Durchführung
in adäquater
Zeit und
- – ein
ausreichend großes
Prüfvolumen haben.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Volumenbestimmung einer Prüfgrube zur
Ermittlung des Raumgewichtes von Boden oder Schüttgütern unter Verwendung eines
Gummiblasengerätes
ist in der Druckschrift
DE 1
216 561 beschrieben, bei dem die in einem Zylinder zwischen
einem Kolben und einer eine stirnseitige Begrenzung des Zylinders
bildende Gummiblase eingeschlossene Wassermenge in das Loch eingedrückt wird.
Dabei erfolgt die Ablesung der Kolbenstellung zu Beginn und am Schluss
der Messung bei gleich bleibendem hydrostatischem Druck. Die Gummiblase
ist an einem Standrohr, das mit einem vorher ermittelten Volumen
an Wasser gefüllt
ist, befestigt. Die Gummiblase wird nun in die Prüfgrube eingelassen
und mittels genau definierten Bedingungen mit Wasser aus dem Standrohr
gefüllt.
Entsprechend der nun noch im Standrohr vorhandenen Flüssigkeit
kann auf das Volumen der Prüfgrube
geschlossen werden.
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Die
Probleme bestehen darin, dass das Verfahren bei einer sehr groben
Prüfgrubenwandung eine
große
Fehlerausbildung aufweisen kann. Denn die Gummiblase kann sich in
vielen Fällen
nicht direkt an der Grubenwandung anschmiegen, wobei sich zwischen
der Grubenwandung und der Gummiblasenoberfläche nicht erfassbare Freiräume ausbilden können. Des
Weiteren besteht auch die Gefahr des Zerplatzens der Gummiblase.
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Lasermesstechnik
wird bereits in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Z.B. werden
in der Geodäsie
Lasermessungen zur Aufnahme von unzugänglichen Böschungen, insbesondere in felsigen Bereichen,
eingesetzt.
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Es
existieren beispielsweise auch Laserabtastvorrichtungen zum Abtasten
von Tunnellaibungen (Tunnelscanner zum Monitoring des Tunnelzustandes)
und zum Abtasten von Spritzbetonoberflächen im Tunnelbau für die Feststellung
von Spritzbetondicken.
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Des
Weiteren ist ein Zustandserfassungs- und -bewertungsverfahren mit
einem Messsystem unter der Internetadresse www.schniering.com beschrieben,
bei dem ein Laserdistanzmessgerät
zur Erfassung von Fahrbahnunebenheiten, insbesondere von Längsunebenheiten
durch Mehrfachabtastung mit vier Laserdistanzsensoren und von Querunebenheiten
durch Abtastung mit bis zu neununddreißig Laserdistanzsensoren vorgesehen
ist. Dabei erfolgt eine geschwindigkeitsunabhängige Messwerterfassung in
Abständen
von fünf
Millimetern.
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Ein
Problem des bekannten Laserdistanzmessgerätes als Abtastvorrichtung wie
auch von allen bisherigen Verfahren und Vorrichtungen besteht darin,
dass sie letztlich nicht die Genauigkeit aufweisen, die die Abtastvorrichtung
für das
Ausmessen einer Prüfgrube
mit anschließender
Volumenbestimmung tauglich machen.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Einrichtung zur Ermittlung der Dichte der Bodensubstanz von
Prüfgruben
anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass die Prüfgruben
mit größerer Präzision ausgemessen
werden können
und damit die Dichte der Bodensubstanzen auch mit höherer Genauigkeit
ermittelt werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Das
Verfahren zur Ermittlung der Dichte der Bodensubstanz der Prüfgrube weist
folgende Schritte auf:
- – Aushub der Bodensubstanz
der Prüfgrube,
- – Messung
des Volumens VPGr der Prüfgrube,
- – Messungen
von Masse mf und Wassergehalt w der ausgehobenen
Bodensubstanz und
- – Ermittlung
der Feucht- oder Trockendichte ρ, wobei
gemäß des Kennzeichenteils
des Patentanspruchs 1 folgende Schritte durchgeführt werden:
- – eine
Oberflächenabtastung
als Nullniveauabtastung, bei der eine einmarkierte Geländeoberfläche FGr der Prüfgrube
abgetastet wird, und eine Messung des Abstandes Ai zwischen
Abtastkopf und die Geländeoberfläche rasterunterteil tenden Oberflächenpixeln
Fi und somit der Geländeoberfläche FGr vor
dem Aushub der Prüfgrube,
- – eine
Grubenabtastung der Wandung der Prüfgrube nach dem Aushub der
Prüfgrube
und eine Messung der Tiefen TVi von die
Wandung rasterunterteilenden Wandungspixeln Vi vom
Abtastkopf aus,
- – Bestimmung
des Grubenvolumens VPGr aus den gemessenen
Abständen
Ai und Tiefen TVi und
der einmarkierten Geländeoberfläche FGr nach einer Gleichung VPGr = f(Ai,
TVi, FGr) (I) und
- – Ermittlung
der Dichte ρ der
Bodensubstanz aus Grubenvolumen VPGr, Masse
mf der Bodensubstanz und Wassergehalt w
nach einer Gleichung: ρ = f(VPGr, mf, w) (II).
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Die
Abtastung der Messflächen
der Prüfgrube
mittels eines Laserdistanzsensors erfolgt mit Hilfe von motorischen
Antrieben, beginnend beim tiefsten Punkt in der Prüfgrube,
wobei ein Laserstrahl vertikal nach unten gerichtet ist, kreisförmig die
Abtastung vornimmt, wobei nach einem Drehwinkel αH mit
einer 360°-Umdrehung der Drehwinkel αV des
Abtastkopfes gegen die Vertikale vergrößert wird und eine erneute
kreisförmige
Abtastung beginnt.
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Dabei
kann ein spiralförmiger
Abtastverlauf für
den Laserdistanzsensor durchgeführt
und die Schrittweite bei der vertikalen Neigung variiert werden.
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Unter
Verwendung der gemessenen Abstandswerte Ai,
TVi und der zugehörigen Drehwinkelstellungen αH, αV berechnen
die programmtechnischen Mittel des Rechners das sich unter dem Abtastkopf
befindliche weitgehend kegelförmige
Volumen VPGr der Prüfgrube.
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Mittels
des Laserdistanzsensors können
die Distanzen Ai, TVi des
Abtastkopfes von der Geländeoberfläche und
von der Wandung der Prüfgrube
in einem sehr engen Raster mit den Oberflächenpixeln Fi bzw.
den Wandungspixeln Vi abgetastet werden,
wobei die Messung mittels der Oberflächenabtastung und der Grubenabtastung
durchgeführt
werden.
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An
der Prüfstelle,
an der im Messfeld von einer Bodenschicht im Straßenbau die
Dichte ermittelt wird, wird die Abtastvorrichtung über die
Prüfgrube gestellt
und eine Oberflächenabtastung
durchgeführt,
wobei mit der Abtastvorrichtung danach die Geländeoberfläche abgetastet wird.
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Die
Abtastvorrichtung kann die Tiefen TVi zwischen
der Laserquelle des Abtastkopfes und der Grubenwandung in einem
sehr engen Raster mit vorgegebenen Wandungspixeln Vi abtasten,
wobei die Höhe
des Abtastkopfes variabel zur Geländeoberfläche einstellbar ist.
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Zur
Plausibilitätskontrolle
und anschaulichen Darstellung können
3D-Modelle der Prüfgrube
auf einem Bildschirm des Rechners generiert werden.
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Die
Dichte ρ der
Bodensubstanz in der Prüfgrube
wird ermittelt, indem die bestimmte Masse mf durch
das in der Prüfgrube
mit der Abtastvorrichtung bestimmte Grubenvolumen VPGr mit ρ =
mf/VPGr (III)geteilt
wird.
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In
der Einrichtung zur Ermittlung der Dichte der Bodensubstanz in der
Prüfbodengrube
ist eine lasergestützte
Abtastvorrichtung, eine Steuereinheit und ein an die Steuereinheit
angeschlossenen Rechner vorgesehen, wobei die Abtastvorrichtung
mit der Steuereinheit über
elektrische Signal- und Versorgungsleitungen verbunden ist,
wobei
gemäß dem Kennzeichenteil
des Patentanspruchs 10 die Abtastvorrichtung aus einem Trägergestell
und einem daran befestigten Abtastkopf besteht, der im Wesentlichen
besteht aus
- – einem motorischen Antrieb
für eine
horizontale Rotation und einem motorischen Antrieb für eine vertikale
Rotation,
- – einem
Laserdistanzsensor zur Erfassung des Abstandes Ai und
der Tiefen TVi und
- – einem
Winkelsensor zur Erfassung der vertikalen Position sowie einem Winkelsensor
zur Erfassung der horizontalen Position des Laserdistanzsensors.
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Das
Trägergestell
kann in Form eines Dreibeins ausgelegt sein.
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Die
Abtastvorrichtung kann für
den Abtastkopfes eine Höheneinstellungseinrichtung
besitzen, die zur Anpassung des maximalen Messbereiches an die Abstände Ai zur Geländeoberfläche und
an die Tiefen TVi zur Grubenwandung der
Prüfgrube
dient.
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Der
Laserdistanzsensor des Abtastkopfes kann jeweils die Distanzen Ai, TVi vom Laserdistanzsensor
zu den Messflächen
erfassen und nach dem Punkttriangulationsprinzip arbeiten.
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Zwischen
dem Abtastkopf und dem Trägergestell
kann eine mechanische Aufhängung
vorgesehen sein, die eine Rotation des Laserdistanzsensors auf horizontaler
Ebene und vertikaler Ebene zulässt.
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Die
Freiheitsgrade können
für die
horizontale Ebene mit einen Drehwinkel αH von
0° bis 360° und für die vertikale
Ebene mit einen Drehwinkel αV 0° bis 90° vorgegeben
werden.
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Zur
besseren Lokalisierung der Prüfgrube kann
wahlweise ein Ring vorab an der Prüfgrube auf die Geländeoberfläche gelegt
sein.
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Auf
dem Ring können
wahlweise Passmarken als Lokalisierungshilfen aufgebracht sein,
wobei auch Passmarken direkt in die Geländeoberfläche gesteckt sein können.
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Die
Steuereinheit kann einen digitalen Signalprozessor sowie eine Leistungselektronik
zur Ansteuerung der Motoren MV, MH des Abtastkopfes enthalten, wobei der digitale
Signalprozessor die Kommandos des angeschlossenen Rechners verarbeitet und
die echtzeitfähige
Ansteuerung der Motoren MV, MH über nimmt
sowie die Messwerte für
den Abstand Ai und für die Tiefen TVi und
für die
Drehwinkelstellungen αH, αV aufgenommen, vorverarbeitet und an den Rechner übermittelt.
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Der
Rechner kann ein Standard-Laptop und über eine USB- oder serielle
Schnittstelle und eine Leitung mit der Steuereinheit verbunden sein.
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Die
Verwendung der Einrichtung zur Bestimmung der Dichte des Bodens
bzw. der Bodensubstanz erfolgt bei der Verdichtungsüberprüfung im
Erdbau und Geotechnik mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Feuchtdichte
und Trockendichte des Bodens als Quotient aus der Feuchtmasse und
der Trockenmasse des Bodens und aus dem Volumen VPGr der
Prüfgrube
bestimmt wird.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert:
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Einrichtung zur Ermittlung der Dichte
der Bodensubstanz einer Prüfgrube
in Seitenansicht mit einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung,
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2 eine
schematische Darstellung des Trägergestells
nach 1 in Draufsicht,
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3 einen
schematischen Aufbau des Abtastkopfes der Abtastvorrichtung,
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4 eine
schematische Darstellung der Freiheitsgrade des Abtastkopfes,
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5 schematische
Darstellungen von Verfahrensschritten zur Bestimmung des Prüfgrubenvolumens,
wobei
- 5a eine
Oberflächenabtastung
ohne Ring,
- 5b einen Aushub der Prüfgrube ohne Ring und
- 5c eine Grubenabtastung ohne Ring darstellen.
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6 schematische
Darstellungen von Verfahrensschritten zur Bestimmung des Prüfgrubenvolumens,
wobei
- 6a eine
Oberflächenabtastung
mit Ring,
- 6b einen Aushub der Prüfgrube mit Ring und
- 6c eine Grubenabtastung mit Ring darstellen.
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7 ein
Blockschema der versorgungs- und signaltechnischen Verbindungen
zwischen Abtastkopf und zugehöriger
Steuereinheit und
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8 Darstellungsmöglichkeiten
der Prüfgrube
auf einem Display, wobei
- 8a eine
seitliche perspektivische Ansicht der Prüfgrube und
- 8b eine Draufsicht auf die Prüfgrube zeigen.
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Die
in 1 dargestellte Einrichtung 10 zur Ermittlung
der Dichte der Bodensubstanz in der Prüfbodengrube 4 enthält eine
lasergestützte
Abtastvorrichtung 1. Die Abtastvorrichtung 1 besteht
aus einem Trägergestell 2,
das einen Abtastkopf 3 mit einem Laser über der Oberfläche 6 der
auszumessenden Prüfgrube 4 positioniert.
Die Abtastvorrichtung 1 ist mit einer Steuereinheit 16 über elektrische
Signal- und Versorgungsleitungen 17 verbunden.
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Das
Trägergestell 2 in
Form eines Dreibeins, wie in 2 gezeigt
ist, ist stabil genug ausgelegt, um den Anforderungen im rauen Praxisbetrieb
gerecht zu werden. Es bietet genügend
Stabilität
für einen
verwackelungsfreien Betrieb während
der Abtastvorgänge.
Mittels des Trägergestells 2 kann
die Höhe
des Abtastkopfes 3 oberhalb der Prüfbodengrube 4 eingestellt
werden. Eine Höheneinstellungseinrichtung 5 des
Abtastkopfes 3 dient dabei zur Anpassung des maximalen
Messbereiches an die vorgegebenen Tiefen TVi der
Grubenwandung der Prüfgrube 4.
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Der
Abtastkopf 3, wie in 1 und 3 gezeigt
ist, besteht aus elektromotorischen Antrieben 8, 9,
die einen Laserdistanzsensor 13 horizontal und vertikal
bewegen können.
Mit Hilfe der Antriebe 8, 9 kann die Wandung 7 der
Prüfgrube 4,
z.B. in Form von versetzten Kreisen abgetastet werden. Beginnend
beim tiefsten Punkt in der Prüfgrube 4,
wobei der Laserstrahl vertikal nach unten gerichtet ist, wird kreisförmig abgetastet,
wobei nach einer 360°-Umdrehung
der Winkel αV des Abtastkopfes 3 gegen die Vertikale
vergrößert wird
und dann eine erneute kreisförmige
Abtastung beginnt.
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Auch
andere Abtastarten sind möglich.
Z.B. kann die Prüfgrube 4 in
Form einer Spirale oder vertikaler Halbkreise abgetastet werden.
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Der
Abtastkopf 3 besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten,
wie in 3 und 4 gezeigt ist:
- 1. aus einem motorischen Antrieb 8 für eine horizontale
Rotation und einem motorischen Antrieb 9 für eine vertikale
Rotation,
- 2. aus einem Laserdistanzsensor 13 zur Erfassung des
Abstandes Ai und der Tiefen TVi und
- 3. aus einem Winkelsensor 11 zur Erfassung der vertikalen
Position sowie einem Winkelsensor 12 zur Erfassung der
horizontalen Position des Laserdistanzsensors 13.
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Der
Laserdistanzsensor 13 in den 1 und 3 erfasst
somit jeweils die Distanzen zwischen dem Laserdistanzsensor 13 und
den Messflächen 6, 7 und
arbeitet nach dem Punkttriangulationsprinzip.
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Eine
entsprechende mechanische Aufhängung 15 lässt eine
Rotation des Laserdistanzsensors 13 auf horizontaler Ebene 19 und
vertikaler Ebene 20 zu. Zur Bewegung in horizontaler und
in vertikaler Richtung dienen jeweils die elektromotorische Antriebe 8, 9.
Die Freiheitsgrade betragen für
die horizontale Ebene bei einem Drehwinkel αH von
0° bis 360° und für die vertikale
Ebene bei einem Drehwinkel αV von 0° bis
90°, wie
in 4 gezeigt ist.
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Zur
Erfassung der Position des Laserdistanzsensors 13 im Raum
dienen je ein Winkelsensor 11, 12 für die horizontale
Ebene 19 und vertikale Ebene 20.
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Die
Steuereinheit 16 koordiniert den Bewegungsablauf des Abtastkopfes 3 und
dient zur Erfassung der Sensordaten.
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Die
Steuereinheit 16 der Einrichtung 10 ist dabei
mit der Abtastvorrichtung 1 verbunden. Sie übernimmt,
wie in 7 gezeigt ist, die Ansteuerung der Motoren der
Antriebe 8, 9, das Auslesen der Messwerte des
Laserdistanzsensors 13 sowie die Aufnahme der Winkelstellungen αH, αV des
Laserdistanzsensors 13. Im Wesentlichen beinhaltet die
Steuereinheit 16 einen digitalen Signalprozessor sowie eine
Leistungselektronik zur Ansteuerung der Motoren MV und
MH des Abtastkopfes 3. Der digitale
Signalprozessor verarbeitet die Kommandos eines angeschlossenen
Rechners 21 und übernimmt
die echtzeitfähige
Ansteuerung der Motoren MV und MH. Weiterhin werden die Messwerte für den Abstand
Ai und die Tiefen TVi sowie
die Winkelstellungen αH, αV aufgenommen, vorverarbeitet und an den
Rechner 21 übermittelt.
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Das
Verfahren zur Ermittlung der Dichte der Bodensubstanz 14 der
Prüfgrube 4 weist
folgende Schritte auf:
- – Aushub der Bodensubstanz 14 der
Prüfgrube 4, wie
in 5b gezeigt ist
- – Messung
des Volumens VPGr der Prüfgrube 4,
- – Messungen
von Masse mf und Wassergehalt w der ausgehobenen
Bodensubstanz und
- – Ermittlung
der Dichte ρ,
z.B. mittels programmtechnischer Mittel eines der Steuereinheit 16 zugeordneten
Rechners 21.
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Erfindungsgemäß werden
dabei folgende Schritte durchgeführt:
- – eine
Oberflächenabtastung
als Nullniveauabtastung, bei der ein Laserdistanzsensor 13 die
einmarkierte Geländeoberfläche FGr 6 der Prüfgrube 4 abtastet,
und eine Messung des Abstandes Ai zwischen
Abtastkopf 3 und die Geländeoberfläche 6 rasterunterteilten
Oberflächenpixeln
Fi und somit der Geländeoberfläche FGr 6 vor
dem Aushub der Prüfgrube,
- – eine
Grubenabtastung der Wandung 7 der Prüfgrube 4 nach dem
Aushub der Prüfgrube 4 und eine
Messung der Tiefen TVi von die Wandung 7 rasterunterteilenden
Wandungspixeln Vi vom Abtastkopf 3 aus
und
- – Bestimmung
des Grubenvolumens VPGr aus den gemessenen
Distanzen Ai und TVi und
der einmarkierten Geländeoberfläche (6,
FGr) nach einer Gleichung VPGr = f(A, TVi,
FGr) (I) und
- – Ermittlung
der Dichte ρ der
Bodensubstanz 14 aus Grubenvolumen VPGr,
Masse m der Bodensubstanz 14 und Wassergehalt w nach einer
Gleichung: ρ = f(VPGr,
mf, w) (II).
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Die
Steuereinheit 16 regelt die Art und Weise der Abtastung,
z.B. eine kreisförmige
oder spiralförmige
Abtastung, und die Geschwindigkeit der elektromotorischen Antriebe 8, 9.
Der Abtastkopf 3 rotiert z.B. auf horizontaler Ebene 19 in
einem Drehwinkel αH von 0° bis
360° und
wird nach jeder horizontalen Umdrehung schrittweise in einem Drehwinkel αV von 0° bis 90° vertikal
geneigt. Somit ergibt sich z.B. eine Abtastung mit konzentrischen
Kreisen für
den Laserdistanzsensor 13, der lotrecht unter dem Abtastkopf 3,
was meistens dem tiefsten Punkt/Rasterpixel der Prüfgrube 4 entspricht,
mit der Abtastung beginnt. Die Schrittweite bei der vertikalen Neigung
ist variabel und kann z.B. einen Schrittwinkel von 0,5° betragen.
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Weiterhin
erfasst die Steuereinheit 16 die Abstandsdaten des Laserdistanzsensors 13 zusammen
mit den Positionsdaten der Winkelsensoren 11, 12.
Zwecks weiterer Datenverarbeitung werden die Messwerte der Winkelsensoren 11, 12 an
den Rechner 21 übertragen,
wie in 7 gezeigt ist.
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Die
Steuereinheit 16 übernimmt
des Weiteren die Kontrolle des Abtastkopfes 3 hinsichtlich
des normalen Betriebs und unter Berücksichtigung sicherheitstechnischer
Aspekte – z.B.
Eigenüberwachung,
Störfallerkennung,
Sicherheitsabschaltung usw. -.
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Der
Rechner 21, z.B. ein Standard-Laptop, ist über eine
USB- oder serielle Schnittstelle und eine Leitung 24 mit
der Steuereinheit 16 verbunden. Die programmtechnischen
Mittel des Rechners 21 senden Kommandos zum Konfigurieren
und Starten zur Ausführung
einer Abtastung an die Steuereinheit 16. Die Steuereinheit 16 sendet
die vorverarbeiteten Messwerte zwecks Speicherung und Weiterverarbeitung
an den Rechner 21. Unter Verwendung der Abstandswerte Ai und Tiefen TVi und
der zugehörigen Winkelstellungen αH, αV berechnen
die programmtechnischen Mittel des Rech ners 21 das sich
unter dem Abtastkopf 3 befindliche weitgehend kegelförmige Volumen
VPGr. Aus den Messwerten der Oberflächenabtastung
vor dem Aushub der Prüfgrube 4 und den
Messwerten der Grubenwandungsabtastung nach dem Aushub der Prüfgrube 4 berechnen
die programmtechnischen Mittel das Volumen VPGr der Prüfgrube 4.
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Zur
strukturierten Verwaltung der Messreihen werden diese innerhalb
einer Datenbank abgelegt.
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Die
Erfindung wird für
die Bestimmung der Dichte des Bodens bzw. der Bodensubstanz bei
der Verdichtungsüberprüfung im
Erdbau und Geotechnik eingesetzt, da die Feuchtdichte und Trockendichte des
Bodens der Quotient aus der Feuchtmasse und der Trockenmasse des
Bodens und dem Volumen VPGr der Prüfgrube 4 ist.
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Das
Verfahren zeichnet sich gegenüber
den herkömmlichen
Verfahren zur Ausmessung von Prüfgruben 4 dadurch
aus, dass es größere Grubenvolumen
und diese mit größerer Präzision ausmessen kann.
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Mittels
Laserabtastung wird dabei der Abstand Ai des
Abtastkopfes 3 von der Oberfläche 6 und die Tiefen
TVi des Abtastkopfes 3 von der
Grubenwandung 7 in einem sehr engen Raster mit den Oberflächenpixeln
Fi bzw. den Wandungspixeln Vi aufgemessen.
Aus den Distanzmessungen wird dann das Volumen VPGr der
Prüfgrube 4 berechnet.
Die Messung besteht somit aus einer Oberflächenabtastung – einer
Nullniveauabtastung – und
einer Grubenabtastung.
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Das
Messverfahren zur Bestimmung des Volumens VPGr der
Prüfgrube 4 wird
im Regelfall nicht alleine angewendet, sondern ist Teil der Ermittlung
der Dichte ρ der
Bodensubstanz. Nachfolgend wird deshalb der Ablauf zur Ermittlung
der Dichte ρ des
Bodensubstanz in Schritten erläutert,
in dem die Anwendung des Messverfahrens nach den 5 und 6 erläutert wird,
- 1. An der Prüfstelle, an der im Messfeld
einer Bodenschicht im Straßenbau
die Dichte ρ gemessen wird,
wird die Abtastvorrichtung 1 über die Prüfgrube 4 gestellt
und eine Oberflächenabtastung – eine Nullniveauabtastung –, wie in
den 5 und 6 gezeigt ist, mit der Erfassung
der Abstände Ai durchgeführt. Dabei tastet die Abtastvorrichtung 1 die
vorhandene Geländeoberfläche 6 ab, wie
in den 5a und 6a gezeigt
ist. Die Oberflächenabtastung
kann über
den späteren Rand
der Prüfgrube 4 beispielsweise
um mehr als etwa fünf
Zentimeter hinausreichen. Bei der Oberflächenabtastung ist der Abtastkopf 3 der
Abtastvorrichtung 1 ca. zwanzig bis sechzig Zentimeter über der
Geländeoberfläche 6 angeordnet.
Zur besseren Lokalisierung der Prüfgrube 4 kann wahlweise
ein Ring 18, z.B. aus Aluminium oder Stahl, mit einem Innendurchmesser
von ca. zwanzig bis achtzig Zentimeter vorab an der Prüfgrube 4 auf
die Geländeoberfläche 6 gelegt
werden, wie in 6a gezeigt ist. Auf dem Ring 18 können wahlweise
auch Passmarken 22 als Lokalisierungshilfen aufgebracht
sein. Die Passmarken 22' können auch
direkt in die Geländeoberfläche 6 gesteckt
werden und die Abtastung erleichtern.
- 2. Eine Prüfgrube 4,
die zwischen null und fünfzig Zentimeter
tief sein kann, wird in Anlehnung an die Vorgaben der DIN 18125
ausgehoben und die entnommene Bodensubstanz in einen Behälter 23 gefüllt (5b und 6b).
Innerhalb des Ringes 18, sofern der Ring 18 verwendet
wird, wird der Boden bis zu einer Tiefe von etwa 0,5d bis 1,3d,
wobei d der Prüfgrubendurchmesser
an der Oberfläche 6 der
Prüfgrube 4 ist,
ausgehoben. Die Wandung 7 der Prüfgrube 4 wird zur
Vermeidung von Abtastschatten bei aus der Wandung 7 herausstehenden
Steinen mit einem Böschungswinkel γ von nicht
mehr als etwa 70° gegen
die Horizontale geneigt ausgebildet. Gröbere Bodenkörner, die in vorzugsweise horizontaler
Richtung zu weit in die Prüfgrube 4 hineinragen
und Abtastschatten hervorrufen, werden beseitigt. An den Wandungen 7 haftender
loser Boden wird auch zu der bereits im Behälter 23 befindlichen
Bodensubstanz gegeben. Sofern ein Ring 18 auf die Oberfläche 6 gelegt
wird, darf der Aushub der Prüfgrube 4 nicht
bis unter den Ring 18 erfolgen. Der Aushub erfolgt – wie es
bei den Dichtemessverfahren im Erdbau üblich ist – mit kleineren handlichen Gerätschaften.
- 3. Die Masse mf der Bodensubstanz und
deren Wassergehalt w werden wie bisher nach DIN 18125 gemäß dem Stand
der Technik bestimmt.
- 4. Die Abtastvorrichtung 1 wird über die Prüfgrube 4 gestellt
und die Wandung 7 der Prüfgrube 4 abgetastet,
wie in 1 bzw. 5c und 6c gezeigt
ist. Die Abtastvorrichtung 1 tastet dabei die Grubenwandung 7 in
einem sehr engen Raster, dessen Wandungspixel Vi etwa
ca. 1 mm2 groß sind, ab und misst die Tiefen
TVi zwischen der Laserquelle des Abtastkopfes 3 und
der Grubenwandung 7. Bei der Abtastung der Grubenwandung 7 braucht
sich der Abtastkopf 3 nicht unbedingt genau an der gleichen
Stelle zu befinden wie vorher bei der Oberflächenabtastung. Die Höhe des Abtastkopfes 3 zur
Oberfläche 6 kann variabel
eingestellt werden. Der Abtastkopf 3 kann sich so hoch über der
Prüfgrube 4 befinden, dass
der Bereich um die Prüfgrube 4,
der Grubenrand, noch abgetastet werden kann.
- 5. Aus den Distanzmessungen mit Ai und
TVi und der Geländeoberfläche FG wird mittels programmtechnischer
Mittel im Rechner 21 das Volumen VPGr der
Prüfgrube 4 ermittelt.
- 6. Zur Plausibilitätskontrolle
und anschaulichen Darstellung wird zusätzlich ein 3D-Modell der Prüfgrube 4 generiert.
Die programmtechnischen Mittel des Rechners 21 generieren
dabei Darstellungen der abgetasteten Oberfläche 6 und der Wandung 7 als
2,5-D-Form sowie Höhenlinien und
farblichen Höhendarstellungen,
um eine visuelle Kontrollmöglichkeit
zu schaffen, inwieweit der Abtastungsvorgang die Realität hinreichend
genau genug erfasst hat, wie in den 8, 8a und 8b auf
dem Bildschirm des zugehörigen Rechners 21 gezeigt
ist.
-
Die
Dichte ρ in
der Prüfgrube 4 wird
ermittelt, indem die bestimmte Masse mf durch
das mit der Abtastvorrichtung 1 bestimmte Grubenvolumen
VPGr der Prüfgrube 4 gemäß Gleichung ρ =
mf/VPGr (III)geteilt
wird.
-
Dabei
weist das Messverfahren folgende Vorteile auf:
- 1.
Das Volumen VPGr der Prüfgrube 4 wird grundsätzlich schneller
bestimmt als beim Sand-, Gips- oder Flüssigkeitsersatzverfahren,
- 2. Die Wiederholpräzision
des erfindungsgemäßen Messverfahrens
ist höher
als bei allen herkömmlichen
Verfahren,
- 3. Das erfindungsgemäße Messverfahren
ist für jede
Bodensubstanz 14 und auch bei gebrochenen Materialien anwendbar.
- 4. Mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren
ist auch das Ausmessen von wesentlich größeren Prüfgruben 4 mit einem
Durchmesser bis zu ca. sechzig Zentimeter und Tiefen TVi bis
zu ca. fünfzig
Zentimeter möglich.
-
- 1
- Abtastvorrichtung
- 2
- Trägergestell
- 3
- Abtastkopf
- 4
- Prüfgrube
- 5
- Höheneinstellungseinrichtung
- 6
- Geländeoberfläche
- 7
- Wandung
- 8
- vertikaler
elektromotorischer Antrieb
- 9
- horizontaler
elektromotorischer Antrieb
- 10
- Einrichtung
- 11
- vertikaler
Winkelsensor
- 12
- horizontaler
Winkelsensor
- 13
- Laserdistanzsensor
- 14
- Bodensubstanz
- 15
- Aufhängung
- 16
- Steuereinheit
- 17
- Signal-
und Verbindungsleitungen
- 18
- Ring
- 19
- Horizontale
Ebene
- 20
- Vertikale
Ebene
- 21
- Rechner
- 22
- Passmarken
- 22'
- Passmarken
- 23
- Behälter
- 24
- Leitung
- VPGr
- Grubenvolumen
- FGr
- Geländeoberfläche
- mf
- Masse
- ρ
- Dichte
- w
- Wassergehalt
- Ai
- Abstand
- TVi
- Tiefe
- Fi
- Oberflächenpixel
- Vi
- Wandungspixel
- d
- Grubendurchmesser
- γ
- Böschungswinkel
- αH
- horizontaler
Drehwinkel
- αV
- vertikaler
Drehwinkel
- MV
- vertikaler
Motor
- MH
- horizontaler
Motor
- WV
- Winkelsensor
- WH
- Winkelsensor