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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entnahme von fließfähigen Proben aus dem Erdreich.
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Aus der Tiefbautechnik ist die Herstellung von Düsenstrahlsohlen bekannt. Dabei wird mittels eines Bohrgestänges in eine vorgegebene Tiefe des Erdreiches vorgedrungen, um anschließend am vorderen Ende des Bohrgestänges mittels eines Düsenstrahlmonitors unter hohem Druck eine aushärtende Suspension in das angrenzende Erdreich einzupressen. Durch vertikale Bewegung in Verbindung mit Rotation des Düsenstrahlmonitors entsteht so ein in etwa zylinderförmiger Körper, der nach dem Aushärten und in Verbindung mit benachbarten weiteren derartigen Körpern einen stabilen Verbund darstellt und zur Aufnahme von Druck- oder Zugkräften benutzt werden kann.
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Für die Qualitätssicherung der Baumaßnahme ist es erforderlich, Aussagen über die zu erwartende bzw. bestehende Festigkeit oder Druckfestigkeit der Düsenstrahlsole treffen zu können. Aufgrund der Anordnung der Düsenstrahlsole, meist mehrere Meter unterhalb der Geländeoberkante, sind solche Prüfungen nur schwer zu realisieren.
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Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme einer fließfähigen Probe aus dem Erdreich anzubieten, wobei der apparative und zeitliche Aufwand möglichst gering sein soll.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 5.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine besonders einfache Durchführung der Probenentnahme mit Hilfe eines Hohlrohres möglich wird, welches zur Aufnahme der Probe ins Erdreich eingebracht wird. Erfindungsgemäß soll das Hohlrohr mit wenigstens einer verschließbaren Ausnehmung versehen sein, welche im verschlossenen Zustand das Eindringen von Probenmaterial verhindert, im geöffneten Zustand jedoch das Einströmen von Probenmaterial in den Innenraum des Hohlrohres gestattet. Entsprechend wird die Ausnehmung des Hohlrohres dann geöffnet, wenn dieses eine gewünschte Solltiefe im Erdreich eingenommen hat. Durch die geöffnete Ausnehmung kann das Probenmaterial in den Innenraum des Hohlrohres einströmen. Nach dem anschließenden Verschließen der Ausnehmung und Herausziehen des Hohlrohres aus dem Erdreich kann die so an die Oberfläche beförderte Probe aus dem Hohlrohr entnommen und einer Analyse zugeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich zügig durchführen, und die einzige möglicherweise verschleißbehaftete Komponente wäre das Schließorgan, mit dem die Ausnehmung geöffnet bzw. verschlossen werden kann.
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Für die Aufnahme fließfähigen Probenmaterials ist das Verfahren besonders gut geeignet, da das Innere des Hohlrohres sich nach Öffnen der wenigstens einen Ausnehmung selbsttätig bzw. passiv auffüllt. Eine aktive Förderung des Probenmaterials in einen Probenaufnehmer ist nicht erforderlich, sofern die wenigstens eine Ausnehmung einen ausreichend großen Durchtrittsquerschnitt aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher wenigstens die folgenden Verfahrensschritte, die sich zeitlich auch überlagern können:
- • Absenken eines Hohlrohres in das Erdreich bis in eine Solltiefe;
- • Öffnen einer Ausnehmung am Hohlrohr, um das Eindringen einer Probe in den Innenraum des Hohlrohres zu gestatten;
- • Verschließen der Ausnehmung;
- • Herausziehen des Hohlrohres aus dem Erdreich zur Entnahme der Probe
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Als besonders vorteilhaft hat sich das Verfahren für den Fall herausgestellt, dass zuvor mit einem Bohrgestänge eine Bohrung ins Erdreich eingebracht wurde. Durch die gleiche Bohrung kann dann auch das Hohlrohr in die gewünschte Tiefe eingebracht werden, um dort die Probe zu entnehmen. Dadurch lässt sich sowohl für die Durchführung der vorausgegangenen Bohrung als auch für die Absenkung des Hohlrohres zum großen Teil das gleiche Gerät verwenden, was das Verfahren erheblich vereinfacht. Dies macht sich besonders bemerkbar in dem Fall, in dem mit der vorausgegangenen Bohrung zugleich eine aushärtende Suspension ins Erdreich eingebracht wurde, aus welcher die Probe zu entnehmen ist. Unmittelbar nach Ausbildung einer solchen Düsenstrahlsohle im Erdreich kann durch die dabei entstandene Bohrung nach Herausziehen des Bohrgestänges das Hohlrohr abgesenkt werden bis in den Bereich der dann noch fließfähigen Suspension, um durch Öffnen der wenigstens einen Ausnehmung das Einströmen einer Suspensionsprobe in den Innenraum des Hohlrohres zu ermöglichen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Bohrgestänge, über welches zuvor der Düsenstrahlmonitor im Erdreich die Düsenstrahlsohle ausgebildet hatte, anschließend auch zur Entnahme der Suspensionsprobe verwendet wird. Dadurch wird die Bereitstellung von zusätzlichem Gerät, welches ausschließlich für die Entnahme der Probe vorzusehen wäre, auf ein Minimum reduziert. Stattdessen wird zunächst das Bohrgestänge mit dem Düsenstrahlmonitor nach Herstellung der Düsenstrahlsohle nach oben aus dem Erdreich herausgezogen. Der Düsenstrahlmonitor wird demontiert und an seine Stelle das Hohlrohr mit der verschließbaren Ausnehmung gesetzt, so dass das Bohrgestänge unmittelbar darauf wieder in die bereits zuvor hergestellte Bohrung abgesenkt werden kann, diesmal zum Zweck der Probenentnahme. Die Probenentnahme vereinfacht sich dadurch erheblich zumal auch die Tiefe, in welche das Hohlrohr für die Probenentnahme abzusenken ist, aus dem unmittelbar vorausgegangenen Herstellungsverfahren für die Düsenstrahlsohle unmittelbar bekannt ist.
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Zum Öffnen und Verschließen der wenigstens einen Ausnehmung am Hohlrohr ist nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens innerhalb des Hohlrohres ein flexibler Körper angeordnet, der durch Druckbeaufschlagung so weit aufblähbar ist, dass er sich von innen an die Ausnehmungen des Hohlrohres anlegt und diese so vollständig bedeckt, dass die Ausnehmung für den Durchtritt von Probenmaterial gesperrt ist. Durch Entspannung des Körpers, bei der dieser innerhalb des Hohlrohres insbesondere in radialer Richtung auf ein geringeres Volumen zusammenschrumpft, wird die wenigstens eine Ausnehmung am Hohlrohr für den Durchtritt der aufzunehmenden fließfähigen Probe freigegeben. Für diese Aufgabe kommt ein im Tiefbau an sich bekannter Packer besonders gut in Frage. Er wird üblicherweise eingesetzt zur Abdichtung eines Ringspaltes, wobei er sich mit seiner aufblähbaren Außenhaut gegen die Innenfläche eines meist rohrförmigen Durchgangs anlegt. Im vorliegenden Fall verhindert der Packer im aufgeblähten Zustand jedoch insbesondere das radiale Ein- oder Ausströmen von fließfähigem Probenmaterial (wie beispielsweise einer Zementsuspension), da sich die Außenhaut des Packers in radialer Richtung von innen gegen die Ausnehmung im Hohlrohr anlegt. Im entspannten Zustand des Packers dagegen wird die Ausnehmung nicht von innen abgedeckt oder die äußere Wandung des Packers wird durch den hydrostatischen Druck so weit ins Innere des Hohlrohres zusammengedrückt, dass Probenmaterial in den Hohlraum eindringen kann.
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Die Anordnung des Blähkörpers als Absperrorgan vollständig innerhalb des Hohlrohres vermeidet radial darüber hervorstehende Komponenten, deren Ausdehnung auch den Durchmesser des Bohrloches übersteigen könnten. Stattdessen liegt die Vorrichtung zur Probenentnahme vollständig innerhalb des Durchmessers, mit dem zuvor auch das Bohrloch für die Düsenstrahlsohle erstellt wurde.
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Zur Betätigung des aufblähbaren Körpers ist nach einer Ausführungsform des Verfahrens eine Verbindungsleitung von der Erdoberfläche bis in den im Hohlrohr angeordneten Körper vorgesehen, um über diese Leitung den Körper pneumatisch oder hydraulisch zu betätigen.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung einer Probenentnahme in vorbeschriebener Weise umfasst demnach ein Hohlrohr mit wenigstens einer verschließbaren Ausnehmung und einem als Verschlusselement dienenden, aufblähbaren Körper. Das Hohlrohr ist zur Verbindung mit einem Bohrgestänge ausgebildet, um es daran ins Erdreich absenken zu können. Insbesondere kann das Hohlrohr an seinen Stirnseiten Verbindungsmittel vorsehen, mit denen es anstelle eines Düsenstrahlmonitors oder einer Bohrkrone an einem herkömmlichen Bohrgestänge befestigt werden kann. Durch Austausch des Düsenstrahlmonitors gegen das Hohlrohr mit innen liegendem Blähkörper kann so mit wenigen Handgriffen nach Einbringen der Düsenstrahlsohle eine Vorrichtung zur Probenentnahme zusammengebaut werden, die mit dem zuvor bereits genutzten Bohrgestänge und -gerät wieder in die Tiefe abgesenkt werden kann.
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Während das Hohlrohr an seinem rückwärtigen, zur Erdoberfläche gewandten Ende an das Bohrgestänge angeschlossen und damit an diesem Ende abgedichtet ist, kann es an seinem nach unten gewandten, freien Ende durch ein anderes abdichtendes Element, insbesondere eine vorübergehend dort angeordnete Bohrkrone abgedichtet werden. Das Hohlrohr kann einseitig oder beidseitig ein Innengewinde aufweisen, mit welchem es am unteren Ende des Bohrgestänges oder mit einer Bohrkrone verschraubbar ist, so dass anschließend der Innenraum des Hohlrohres nur durch die verschließbare Ausnehmung zugänglich ist. Nach Aufnahme der Probe im Erdreich und Herausziehen des Bohrgestänges mit daran angeordnetem Hohrohr kann die Probe beispielsweise durch Entfernen des unteren Abdichtelements (z.B. Bohrkrone) aus dem Hohlrohr entnommen und einer Analyse zugeführt werden.
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Um sicherzustellen, dass der aufblähbare Körper im aufgeblähten Zustand die wenigstens eine Ausnehmung zuverlässig abdeckt, ist es denkbar, den aufblähbaren Körper im Inneren des Hohlrohres axial zu fixieren, indem er über eine geeignete Halterung am rückwärtigen Ende des Hohlrohres bzw. dem daran anschließenden Bohrgestänge befestigt wird. So ist sichergestellt, dass die axiale Position des aufblähbaren Körpers mit der entsprechenden axialen Lage der Ausnehmung im Mantel des Hohlrohres übereinstimmt bzw. beibehalten wird.
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Nachfolgend soll eine Ausführungsform des Verfahrens anhand von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt
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1 in schematischer Darstellung die Herstellung einer Düsenstrahlsohle,
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2 die erfindungsgemäße Entnahme einer Probe in schematischer Darstellung, und
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3a, b, c eine vergrößerte schematische Ansicht des Hohlrohres mit Blähkörper.
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In 1 ist zu sehen, dass in das Erdreich 10 mittels eines Bohrgestänges 5 ein Düsenstrahlmonitor 15 eingebracht wurde. Durch Rotation und vertikale Bewegung des Düsenstrahlmonitors wird eine aushärtende Suspension 1 in die Umgebung des Düsenstrahlmonitors 15 in das Erdreich injiziert, um dadurch einen aushärtenden und belastbaren soliden Körper auszubilden.
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Nach Herstellung der Düsenstrahlsohle wird das Bohrgestänge 5 wieder gezogen und der Düsenstrahlmonitor an seinem unteren Ende entfernt. Stattdessen wird das Bohrgestänge an diesem unteren Ende mit einem an beiden Stirnseiten verschlossenen Hohlrohr 2 ausgestattet und wieder durch das zuvor hergestellte Bohrloch in die noch flüssige Suspension 1 abgesenkt. An seinem unteren Ende ist das Hohlrohr 2 mit einem abdichtendem Element 7, welches insbesondere durch eine Bohrkrone gebildet werden kann, verschlossen. Am gegenüberliegenden rückwärtigen Ende des Hohlrohres 2, welches zur Geländeoberkante weist, wird das Hohlrohr 2 durch Verbindung mit dem Bohrgestänge 5 stirnseitig abgedichtet. Damit ist die in 3a näher dargestellte Ausnehmung 3 die einzige Öffnung des Hohlrohres 2, durch welche die Suspension 1 in den Innenraum 4 des Hohlrohres 2 gelangen könnte.
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Innerhalb des Hohlrohres 2 ist ein in den Figuren gestrichelt dargestellter Blähkörper 6 angeordnet und mit dem vorderen Ende des Bohrgestänges 5 verbunden. Der Blähkörper 6 ist durch pneumatische oder hydraulische Beaufschlagung über eine durch das Bohrgestänge 5 geführte und nicht näher dargestellte Leitung so betätigbar, dass er sich in radialer Richtung innerhalb des Hohlrohres 2 so weit ausdehnen kann, dass er von innen die Ausnehmung 3 vollständig bedeckt. Durch Entspannung des Blähkörpers 6, bei der sich dieser insbesondere in radialer Richtung zusammenzieht, wird der Durchtritt durch die Ausnehmung 3 für die Suspension 1 dagegen freigegeben.
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Die in 3a durch den Schnitt A-A angedeutete Ansicht ist in den 3b und 3c für die unterschiedlichen Betriebszustände des Blähkörpers 6 dargestellt. 3b zeigt den Blähkörper 6, wie er innerhalb des Hohlrohres 2 so weit aufgebläht ist, dass er sich von innen an die Ausnehmung 3 anlegt, um diese für den Durchtritt von Suspension 1 ins Innere 4 des Hohlrohres oder in umgekehrter Richtung zu sperren. Wird der Blähkörper 6 dagegen durch Druckentlastung entspannt, wie dies in 3c dargestellt ist, so reduziert sich seine radiale Abmessung so weit, dass die Ausnehmung 3 für den Durchtritt von Suspension nach innen oder außen freigegeben wird. Damit wirkt der Blähkörper 6 als Absperrorgan, welches hydraulisch oder pneumatisch betätigbar ist, um in einer vorgegebenen Tiefenposition des Hohlrohres 2 den Eintritt von Suspension in den Innenraum 4 gezielt freizugeben bzw. zu versperren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher das Absenken des Hohlrohres 2 in eine vorgebbare Tiefe, wobei der Blähkörper 6 die Ausnehmung 3 versperrt. Durch anschließende Entspannung des Blähkörpers 6 vermag die fließfähige Zementsuspension als Probe in den Innenraum 4 des Hohrohres 2 einzudringen und diesen weitgehend zu füllen (die Entlüftung des Innenraums 4 zu dessen vollständiger Befüllung sei hier vernachlässigt). Durch anschließendes erneutes Aufblähen des Blähkörpers 6 wird die zuvor aufgenommene Probe sicher im Innenraum 4 des Hohlrohres 2 gehalten und kann so mittels Bohrgestänge 5 bis an die Oberfläche gezogen werden. Durch Entfernen des abdichtenden Elements 7 oder sonstige Entnahme der aufgenommenen Probe kann diese einer geeigneten Analyse zugeführt werden. Damit gestattet das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung in besonders einfacher Weise die Entnahme einer fließfähigen Probe aus dem Erdreich, ohne dass hierfür in besonderem Maße zusätzliche Gerätschaften bereitzustellen wären, die stattdessen meist ohnehin für Tiefbauaufgaben bereit stehen.
