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Die Erfindung betrifft eine Messsonde zum Eindrücken in den zu untersuchenden Untergrund mit einem Sondenkörper, der eine Druckmesseinheit zur Erfassung der Lagerungsdichte des zu untersuchenden Untergrundes aufweist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Messverfahren mit einer Messsonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messsonde bis zu einer vorgegebenen Tiefe in den Untergrund eingedrückt und dabei die Lagerungsdichte gemessen wird.
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Die elektrische Drucksondierung (auch CPT genannt) ist ein Standardverfahren gemäß DIN EN ISO 22476-1 in der Geotechnik, bei dem eine Messsonde bei gleichbleibender Geschwindigkeit in den Untergrund eingedrückt wird, wobei die auf eine Sondierspitze und eine Reibungshülse der Messsonde wirkenden Kräfte über Dehnungsmessstreifen gemessen werden. Aus den gemessenen Kräften und den dazugehörenden Flächen der Sondierspitze und der Reibungshülse ergeben sich der Spitzenwiderstand und die lokale Mantelreibung im zu untersuchenden Untergrund. Ferner ist es bekannt, die CPT-Sondierung mit einem Porenwasserdruckgeber in der sogenannten „CPTU-Sondierung” zu ergänzen, damit der Porenwasserdruck während der Druck-Sondierung aufgenommen werden kann. Weiter ist eine seismische Drucksondierung, auch „SCPT” genannt, bekannt, bei der die Drucksonde mit zwei Geophonen kombiniert ist, um zusätzlich die Wellengeschwindigkeit des Bodens zu messen. Ferner wird bei der sogenannten „CPM-Sondierung” die Drucksonde mit einem Druckgeber kombiniert, mit dem die horizontale Verformung und der Erddruck erfasst werden können.
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Für gänzlich andere Fragestellungen sind im Bereich der Geophysik Methoden zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Bodens entwickelt worden. Zur geotechnischen Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Bodens gibt es im wesentlichen drei Methoden, nämlich den sogenannten „(Geo)thermal Response Test”, kurz auch „GRT oder „TRT” genannt, das EWS-Logger-Verfahren sowie den Laborversuch. Diese Verfahren weisen jedoch nachfolgend dargestellte Nachteile auf:
Bei dem Geothermal Response Test wird eine in einer Bohrung fertig installierte Erdwärmesonde mit einem definierten Wärmeeintrag über einen definierten Zeitraum belastet und somit der Untergrund zu einer Temperaturantwort angeregt. Dabei wird das Erdwärmesondenfluid mit einer konstanten Umwälzrate durch die Erdwärmesonde zirkuliert und kontinuierlich mit einer konstanten Heizleistung erwärmt. Die Temperatur am Sondenaustritt hängt dann von der Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes ab. Aus dem zeitlichen Verlauf des Mittelwerts aus Eintritts- und Austrittstemperatur kann die Wärmeleitfähigkeit des Untergrundes bestimmt werden. Der Auswertung des Geothermal Response Tests liegt die sogenannte Kelvin'sche Linienquellentheorie und eine Vielzahl von Modellvereinfachungen zugrunde, welche die Genauigkeit der berechneten. Wärmeleitfähigkeit sehr einschränken. Als Folge der Auswertemethode ist die berechnete Wärmeleitfähigkeit ein für die gesamte Länge der Erdwärmesonde representativer Wert, der möglicherweise durch advektiven Wärmetransport durch Grundwasserströmung erheblich beeinflusst werden kann und so zu verfälschten Prognosewerten führt. Durch die bereits installierte Erdwärmesonde ist dieses Messverfahren nicht als Vorerkundungsmethode einsetzbar. Ferner können Wärmeleitfähigkeitsunterschiede im Untergrund nicht erkannt werden, da nur eine integrale, mittlere Wärmeleitfähigkeit gemessen werden kann. Ferner ist die Messung sehr kostenintensiv, da sie Messzeiten von meist weit über 20 Stunden erfordert. Ferner ist die Bodentemperatur durch den Bohrvorgang zumindest zeitweise gestört.
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Das EWS-Logger-Verfahren wird ebenfalls an einer installierten Erdwärmesonde durchgeführt. Eine kabellose oder kabelgebundene Messsonde, welche Temperatursensoren enthält, wird mit definierter Geschwindigkeit in die Wärmetauschrohre der Erdwärmesonde niedergebracht. Unterwegs registriert die Sonde in wählbaren Zeitintervallen die Temperatur. Für die Wärmeleitfähigkeitsbestimmung wird zusätzlich der lokale Wärmeflusswert benötigt. Bei fehlendem oder ungenauem Wärmeflusswert kann dieses Verfahren nicht eingesetzt werden.
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Beim Laborversuch werden Bodenproben aus Schürfungen oder Bohrungen entnommen, ins Labor transportiert und dort mit passenden Messinstrumenten vermessen. Trotz sorgfältiger Probenentnahme wird die Bodenstruktur mehr oder weniger gestört, was zu unbrauchbaren Ergebnissen führen kann. Außerdem sind die Aufbewahrung, der Transport sowie die Durchführung der Messung mit hohen Kosten verbunden. Mit diesem Verfahren ist die Bestimmung der ungestörten Bodentemperatur nicht möglich.
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Ferner ist aus der
DE 41 27 646 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung thermischer Parameter im Boden bekannt, bei dem ein Hohlgestänge in den Boden eingebracht wird und für die Bestimmung einzelner thermischer Parameter das Einsetzen jeweils einer spezifischen mehrere in einer Sensorkette angeordnete Sensoren aufweisenden Messsonde in das Hohlgestänge erfolgt. Damit kann die Bodentemperatur sowie in Verbindung mit einem Heizdraht die Wärmeleitfähigkeit des Bodens für verschiedene Tiefen gleichzeitig bestimmt werden. Die Temperatur wird also mit der Sensorkette gleichzeitig für verschiedene Tiefen innerhalb des Hohlgestänges bestimmt. Die Temperaturmessung ist somit von dem durchmessenen Hohlgestänge beeinflusst und durch die Handhabung mit einem gesonderten innen geführten lang gestreckten Sondenkörper mit Sensorkette sehr aufwendig.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht ausgehend von der bekannten CPT-Drucksondierung darin, die thermischen Eigenschaften des Bodens zuverlässig und mit einer guten Tiefenauflösung zu bestimmen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Messsonde und ein entsprechendes Messsystem anzugeben, das sich für eine Vorerkundung mit geringem Aufwand eignet.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Messsonde gemäß Anspruch 1 und einem Messverfahren gemäß Anspruch 6.
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Durch die Erfassung der Lagerungsdichte mittels der Druckmesseinheit kann bereits unter bestimmten Vorgaben die Wärmeleitfähigkeit des Bodens hergeleitet werden (siehe: Abu-Hamdeh, N. H. and Reeder, R. C; „Soil Thermal Conductivity: Effects of Density, Moisture, Salt Concentration, and Organic Matter"; in Soil Sciences Society of America Journal; S. 1285–1290; 2000). Ferner wird durch das in der Messsonde integrierte Heizmittel sowie Temperatursensor die Möglichkeit geschaffen, kleinräumig eine definierte Wärmemenge in der jeweilig betrachteten Tiefenlage einzubringen und die Temperaturantwort, die von der Wärmeleitfähigkeit des Bodens beeinflusst ist, über die Temperatursensoren aufzunehmen. Es wird somit auf zweierlei Messwegen, nämlich einmal über die mittels Drucksensoren zu ermittelnde Lagerungsdichte und andererseits über die Temperaturantwort des Untergrundes in Art eines „geothermal response tests”, die Wärmeleitfähigkeit an der gemessenen Stelle im Untergrund in redundanter Weise bestimmt. Umgekehrt kann die Lagerungsdichte auch aus der gemessenen Wärmeleitfähigkeit abgeleitet werden.
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Es wird somit eine sehr zuverlässige Messmethode für die thermischen Eigenschaften des Bodens bereitgestellt. Dabei wird durch die tiefenabhängige Aufzeichnung der Lagerungsdichte mit der Druckmesseinheit und die kleinräumige Messung der Temperaturantwort des Untergrundes zu mindestens einer vorgegebenen Tiefe eine hohe vertikale Tiefenauflösung der Wärmeleitfähigkeit erreicht. Zudem kann mit dem Temperatursensor vor Wärmeeintrag die ungestörte Temperatur des Bodens gemessen werden. Dabei ist das Messsystem handlich und relativ kostengünstig. Es eignet sich insbesondere zur Vorerkundung, da kostenaufwendige Bohrungen etc. für die Messauswertung nicht niedergebracht werden müssen. Lediglich die einteilige Messsonde ist mit einem geeigneten Gestänge bis zur gewünschten Endtiefe in den Boden einzudrücken. Dabei ist die Vermessung an einer Lokation über beispielsweise 20 m Tiefe in weniger als 4 h durchgeführt.
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Wenn das Heizmittel innerhalb eines rohrförmigen Abschnittes, der Teil des Sondenkörpers ist, angeordnet ist, ist ein möglichst gleichmäßiges und in mathematischer Nährung als linienförmige Wärmequelle anzusehendes Heizmittel realisiert. Dabei ist das Heizmittel bevorzugt ein elektrisches Heizelement, womit die einzutragende Wärmemenge einfach definiert und messtechnisch überwacht werden kann.
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Dadurch, dass außen im rohrförmigen Abschnitt auf einer Radialebene wenigstens zwei zueinander gleichbeabstandete Temperatursensoren angeordnet sind können die Temperatursensoren die Temperaturverteilung um die gesamte Messsonde herum erfassen. Besonders bevorzugt sind drei oder vier Temperatursensoren in einer Radialebene, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturerfassung an der Messsondenumgebung zu erreichen.
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Zur Bestimmung der Lagerungsdichte weist die Druckmesseinheit eine am abwärtigen Ende der Messsonde angeordnete Sondierspitze mit zugeordnetem ersten Dehnungsmessstreifen zur Messung des Spitzendruckes und eine Reibungshülse mit zugeordnetem zweiten Dehnungsmessstreifen zur Messung des Manteldruckes auf.
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Um auch bei der redundanten Wärmeleitfähigkeitsmessung über den Wärmeeintrag und die Temperaturantwort des Bodens eine hohe vertikale Auflösung zu erhalten, wird bevorzugt die Messabfolge für eine Vielzahl von vorgegebenen Tiefen, also von einer Oberflächen nahen, vorgegebenen ersten Tiefe bis zu einer maximalen vorgegebenen Endtiefe, bevorzugt in äquidistanten Tiefenintervallen, durchgeführt.
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Je nach Länge des Heizabschnittes kann ab einem Tiefenintervall von etwa der zweifachen Länge des Heizabschnittes eine jeweils ungestörte Temperatur des Bodens in der jeweiligen Tiefenlage und nachfolgend die Temperaturantwort des Bodens nach Zufuhr des definierten Wärmestroms gemessen werden.
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Alternativ kann die thermische Messung über Temperatursensoren auch erst beim Wiederaufholen der Messsonde in unterschiedlichen Tiefenabschnitten erfolgen. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messabfolge für eine maximale, vorgegebene Endtiefe mit einer durchgehenden Lagerungsdichtemessung durchgeführt wird, wobei beim Herausziehen der Messsonde von der Endtiefe bis zu einer Oberflächen nahen, vorgegebenen ersten Tiefe für eine Vielzahl von vorgegebenen Tiefen, bevorzugt in äquidistanten Tiefenintervallen, jeweils zunächst die Temperatur des ungestörten Bodens gemessen und anschließend eine vorgegebene Wärmemenge über das Heizmittel in den Boden eingetragen wird, wobei dabei die Temperatur weiter aufgezeichnet wird.
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Dadurch, dass zur Messung der Lagerungsdichte die Messsonde mit gleichbleibender Geschwindigkeit in den Untergrund eingedrückt wird und dabei die an Sondierspitze und Reibungshülse wirkenden Kräfte aufgezeichnet werden, werden verlässliche Messwerte für Spitzenwiderstand und Mantelreibung zur jeweiligen Eindringtiefe aufgezeichnet, die dann die Werte zur Lagerungsdichte ergeben und zur entsprechenden Wärmeleitfähigkeit an der gemessenen Tiefe umgerechnet werden können. Selbstverständlich können die gemessenen Druckwerte auch für andere Messauswertungen verwendet werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Messsonde anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
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Darin zeigt:
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1 einen Schnitt durch eine Messsonde.
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1 zeigt in einem Vertikalschnitt eine anmeldungsgemäße Messsonde von der Bodenoberfläche eingedrückt in einen Untergrund. U. Die vertikal eingedrückte Messsonde weist einen Sondenkörper 100 auf, der die erforderlichen Messinstrumente enthält. Der Sondenkörper 100 weist an seinem abwärtigen, in 1 unten dargestellten Ende eine Druckmesseinheit 1 zur elektrischen Drucksondierung, auch CPT genannt, auf, die eine Sondierspitze 11 und eine Reibungshülse 12 beinhaltet. Innerhalb der Reibungshülse 12 ist eine Auswerteelektronik mit Dehnungsmessstreifen vorgesehen, wobei die Sondierspitze 11 und die Reibungshülse 12 jeweils getrennt zugeordnete Dehnungsmessstreifen aufweisen.
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Oberhalb der Druckmesseinheit 1 hat der Sondenkörper 100 einen rohrförmigen Abschnitt 20, der innenseitig ein Heizmittel 2 in Form eines elektrischen Heizdrahtes enthält. Ferner sind an der zylinderischen Außenfläche des rohrförmigen Abschnittes 20 etwa in der Mitte seiner Längserstreckung zwei Temperatursensoren 3, 3' in einer Radialebene angeordnet. Ferner ist im Sondenkörper 100 ein Signalkabel 4 angeordnet, das mit einem Anschluss 41 an der Druckmesseinheit, mit einem Anschluss 42 am Heizmittel 2 und mit einem Anschluss 43 an den Temperatursensoren 3, 3' angeschlossen ist. Das Signalkabel 4 ist durch eine wasserdichte Kabeldurchführung 102 am aufwärtigen Ende des Sondenkörpers 100 hindurchgeführt.
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An diesem Ende der Messsonde ist eine Gestängeverbindung 101, beispielsweise in Form einer konischen Gewindemuffe angeordnet. In dieser Gestängeverbindung 101 ist ein Gestänge 5 eingeschraubt, womit die Messsonde in den zu untersuchenden Untergrund. U eingedrückt werden kann. Innerhalb des Gestänges 5 ist das Signalkabel 4 zur oberirdischen, hier nicht dargestellten Messdaten- und Auswerteeinheit geführt.
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Nachfolgend werden zwei alternative Messvorgänge mit der hier im Ausführungsbeispiel beschriebenen Messsonde erläutert.
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Die Druck- und Temperaturmesssonde wird mit einem geeigneten Gerät senkrecht in den zu untersuchenden Untergrund an der gewünschten Messstelle eingedrückt. Dabei werden über Signalkabel 4 die in der Auswerteelektronik 13 in der Druckmesseinheit 1 mittels der Dehnungsmessstreifen gemessenen Kräfte an der Sondierspitze 11 und der Reibungshülse 12 gemessen. Die Messsonde wird dabei mit gleichbleibender Geschwindigkeit in den Untergrund U eingedrückt und die am der Sondierspitze zugeordneten Dehnungsmessstreifen gemessene Kraft ergibt den sogenannten Spitzenwiderstand des Untergrundes und die am der Reibungshülse zugeordneten Dehnungsmessstreifen gemessene Kraft ergibt die lokale Mantelreibung. Diese Daten werden kontinuierlich oder in kurzen, bevorzugt gleichen Zeitintervallen zusammen mit der Messtiefe aufgezeichnet.
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Bei Erreichen einer ersten, oberflächennahen Tiefe Z1 wird das Eindrücken der Messsonde unterbrochen und die Temperatursensoren 3, 3' aktiviert. Mit der Sonde wird dann die Temperatur des ungestörten Bodens in der entsprechenden Eindringtiefe bezogen auf die Position der Temperatursensoren gemessen. Danach wird die Spannungsversorgung über Signalkabel 4 auf das Heizmittel 2 über Anschluss 42 geschaltet, so dass eine definierte Wärmemenge von der Messsonde in den Untergrund abgegeben wird. Die weiterhin eingeschalteten Temperatursensoren 3, 3' messen nun die Temperaturantwort des zu untersuchenden Untergrundes U, bezogen auf die gerade erreichte Messtiefe Z1. Da es bei dieser Wärmeleitfähigkeitsmessung einen unmittelbaren Kontakt zwischen erwärmter Messsonde und dem Untergrund U gibt und die eingebrachte Wärmemenge im Verhältnis zu bisherigen GRT-Verfahren vergleichsweise klein ist, reichen für die Wärmeleitfähigkeitsmessung an jedem Tiefenmesspunkt eine Messzeit von wenigen Minuten aus.
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Nachfolgend werden die Temperatursensoren 3, 3' deaktiviert und der Einpressvorgang bis zu einer nächsten Messtiefe Z2 mit gleichbleibender Geschwindigkeit fortgeführt. Während dieses Eindruckvorganges wird wiederum die Druckmesseinheit 1 aktiviert und die entsprechenden Kraftmessungen für Spitzenwiderstand und Mantelreibung für den nächsten Tiefenabschnitt durchgeführt. Abschließend erfolgt wiederum zunächst eine Temperaturmessung der ungestörten Bodentemperatur und nachfolgend die Wärmeleitfähigkeitsmessung wie zur Tiefe Z1.
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Diese iterative Messverfahren wird dann bis zur Endtiefe durchgeführt und anschließend kann die Messsonde in einem Zug entnommen werden.
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Alternativ kann das Messverfahren auch so durchgeführt werden, dass zunächst die Messsonde mit gleichbleibender Geschwindigkeit von der Oberfläche bis zur Endtiefe eingedrückt wird und dabei ein durchgehendes Druckmessprofil von der Oberfläche bis zur Endtiefe von der Druckmesseinheit 1 aufgenommen wird. Anschließend werden die Temperatursensoren 3, 3' aktiviert und zunächst die ungestörte Bodentemperatur in Endtiefe gemessen und anschließend das Heizmittel 2 aktiviert, um die Wärmeleitfähigkeitsmessung durchzuführen. Nach Abschluss der Wärmeleitfähigkeitsmessung bei Endtiefe wird dann die Messsonde schrittweise entsprechend der gewünschten zu messenden Tiefenintervalle herausgezogen und jeweils die Temperaturmessungen, wie vorangehend beschrieben, durchgeführt, bis die Sonde den oberflächennahen Messpunkt erreicht hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckmesseinheit
- 100
- Sondenkörper
- 101
- Gestängeverbindung
- 102
- Wasserdichte Kabeldurchführung
- 11
- Sondierspitze
- 12
- Reibungshülse
- 13
- Auswerteelektronik
- 2
- Heizmittel
- 20
- rohrförmige Abschnitt
- 3
- Temperatursensor
- 4
- Signalkabel
- 41
- Anschluss Druckmesseinheit
- 42
- Anschluss Heizmittel
- 43
- Anschluss Temperatursensor
- 5
- Gestänge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 22476-1 [0003]
- Abu-Hamdeh, N. H. and Reeder, R. C; „Soil Thermal Conductivity: Effects of Density, Moisture, Salt Concentration, and Organic Matter”; in Soil Sciences Society of America Journal; S. 1285–1290; 2000 [0010]
