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Gerät zum Prüfen des mechanisch-statischen Verhaltens eines Materials
in verschiedener Tiefe eines Bohrloches Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät
zum Prüfen des mechanisch-statischen Verhaltens eines Materials in veränderlicher
Tiefe eines Bohrloches.
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Man kennt Geräte dieser Art, die einen dehnbaren Körper haben, der
zu diesem Zweck in ein Bohrloch in den verschiedenen Materialien, z. B. in natürlichen
Felsen bzw. Erdböden oder in künstlichem Material (Beton od. dgl.), herabgelassen
wird. Diese Geräte sind mit hydraulischen Vorrichtungen ausgerüstet, die eine radiale
Kraft auf die Wandung des Bohrloches mit Hilfe des Gerätekörpers ausüben können
und die mit Einrichtungen zum Messen und Aufzeichnen der Verformungen ausgerüstet
sind, die eine Folge des aufgewendeten Druckes sind.
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Die bekannten Geräte können jedoch nur Teilergebnisse liefern, die
sich nur auf einen Teil der Kennzeichen des Verhaltens des geprüften Materials beziehen.
Denn die Verformungen beziehen sich im allgemeinen nur auf eine einzige Richtung,
wobei man nicht ausreichend die Verteilung der angewendeten Drücke auf die Bohrlochwand
beherrschen kann.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Mängel mit Hilfe eines Geräts
zu beheben, das die einheitliche Anwendung eines kontrollierbaren Druckes genau
auf der ganzen Wand des Bohrlochabschnittes, und zwar die einander gegenüberliegenden
Deformationen des Materials nach mehreren Richtungen, vorzugsweise nach drei, um
l20° gegeneinander versetzten Richtungen, entsprechend dem angewendeten Druck, zu
beobachten ermöglicht.
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Das Gerät nach der Erfindung ist besonders durch die Tatsache gekennzeichnet,
daß es aus einem längeren zylindrischen Körper besteht, der durch einen rohrförmigen
starren Rahmen getragen wird, der von einer dichten membranartigen Hülle umgeben
ist. Die beiden Endteile dieser Hülle sind entsprechend in einem Abschlußkopf bzw.
an der Zugangsstelle des Rahmens festgelegt.
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Diese erste Ausgestaltung der Erfindung bietet zunächst die Möglichkeit,
auf die Wandung des Bohrloches einen hydraulischen Druck auszuüben, der sich einheitlich
auf den ganzen Abschnitt des beobachteten Bohrlochteiles verteilt.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist der untere Kopf des Geräts
mit einem ferngesteuerten Entleerungsventil ausgerüstet, durch das man einen Teil
der hydraulischen Flüssigkeit ablassen und in dem Gehäuse des Geräts ansammeln kann.
Dieses Ventil ist andererseits auch dazu geeignet, mit einer Absperreinrichtung
in der Zuleitung der hydraulischen Flüssigkeit zusammenzuarbeiten. Diese Ausgestaltung
ermöglicht in bequemer und wirtschaftlicher Weise ein Ablösen der Membran von der
Bohrlochwand, ohne das eine elastische zentripetal wirkende Rückzugskraft erforderlich
ist, deren Vorhandensein die Meßresultate fehlerhaft machen könnte.
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Die längere Bauart des ausdehnbaren Körpers des Geräts gibt außerdem
die Möglichkeit hinsichtlich eines anderen für die Erfindung wesentlichen Gesichtspunktes:
man kann in einem ausreichenden Abstand von den Enden des Geräts mehrere Ausdehnungsmesser
vorsehen, mit denen man die diametralen Verformungen des Bohrloches in einer Mehrzahl
von Querrichtungen verfolgen kann.
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Die Kennzeichen und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung
an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Dabei
ist des Gerät, in zwei Teile getrennt, schematisch in einem Mittelschnitt dargestellt.
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Nach dem Ausführungsbeispiel hat das Gerät einen festen Rahmen 1,
der aus einem Stahlrohr gebildet ist, dessen Gewicht durch mehrere Fenster 2 erleichtert
ist. Der Rahmen ist mit einer biegsamen Membran 3 überzogen, die aus natürlichem
oder künstlichem Gummi oder auch aus anderen plastischen Materialien bestehen kann.
Die Membran 3 hat wulstförmige Ränder 4, 5 an ihren Enden, die in einem oberen Kopfteil
zwischen einem Abschlußring
6 und einer Kappe 7, sowie an ihrem
unteren Ende zwischen einem Abschlußring 8 und einer Kappe 9 festgelegt sind.
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Durch den Abschlußring 6 des oberen Kopfes ist eine Zuleitung
10 für Öl und eine Zuleitung 10A für ein elektrisches Kabel mit beliebig
vielen Leitungen hindurchgeführt, das an einer Anschlußdose 10 B sich verzweigt.
In der Zeichnung sind alle elektrischen Verbindungen fortgelassen.
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An der Eintrittsstelle der Zuleitung 10 ist eine Anschlußmuffe 11
vorgesehen, an der das Ende eines biegsamen Rohres 12 für die Zuleitung der hydraulischen
Flüssigkeit angeschlossen ist. An der Austrittsöffnung der Zuleitung 10 ist an der
Stelle 13 ein Rohr 14 angeschlossen, das durch das Gehäuse des Geräts hindurchtritt
und zu einer Anschlußmuffe 15 an einem Verteiler 16 führt, der auf einem Bügel 17
an dem Abschlußring 8 festgelegt ist. Der Verteiler hat einen axialen Kanal, von
dem mehrere radiale nach unten geneigte Löcher 18 ausgehen und in dem ein Absperrkolben
19 in dem Abschlußkanal 20 frei gleitet. Eine Kugelverriegelung 21, die durch eine
Feder angedrückt wird, greift in den Kanal 20 an der oberen Stellung des Kolbens
ein, wo dieser den Zugang zu den Löchern 18 absperrt.
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Der untere Abschlußring 8 hat eine axiale Bohrung 22, deren Eintrittsstelle
den Sitz eines Ventils 23 bildet, das mit einer Stange 24 verbunden ist und im allgemeinen
durch eine Feder 25 geschlossen gehalten wird. Die Stange 24 greift mit ihrem Ende
in die axiale Ausbohrung des Verteilers 16 bis zu dem Absperrkolben 19 ein.
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Ein Entleerungsbehälter 26 ist in der Verlängerung der Kappe 9 des
unteren Kopfteils vorgesehen und steht in dauernder Verbindung mit der Bohrung 22
dieses Kopfteils durch mehrere Ausflußöffnungen 27. Ein Elektromagnet 28 ist unter
dem Kopf 8 angeordnet und hat einen beweglichen Anker 29 mit einer Stoßstange
30.
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Ein Druckmesser 31 ist innen im Rahmen 1 angeordnet und kann ein elektrisches
Signal liefern, das den tatsächlichen Wert des Druckes im Innern des Geräts wiedergibt.
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Im Mittelteil des Gehäuses ist der Rohrrahmen mit drei radial hindurchtretenden
Rohren 32, 33, 34
versehen, deren Achsen um 120° versetzt angeordnet sind.
Jeder dieser Querrohre ist mit einem Ausdehnungsmesser ausgerüstet, von denen einer
in dem Querrohr 33 dargestellt ist. Jeder Ausdehnungsmesser enthält zwei Kolben
35, 36, die entsprechend im Gerät an dem beweglichen Gestänge einer Meßvorrichtung
37 für die Verschiebung angeordnet sind. Die äußere Fläche jedes Kolbens ist mit
der benachbarten Zone der Membran durch die Kopfschraube 39 verbunden, die entsprechend
profiliert ist. Diese bildet einen Meßkopf und trägt eine Zwischenlage 39 als Schutzkappe.
Diese Schutzkappe, die z. B. aus Kupfer besteht, ermöglicht das Anschrauben der
Schraube, ohne eine Belastung der Membran hervorzurufen.
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Wenn das Gerät in ein Bohrloch herabgelassen wird, wird die Anschlußleitung
12 mit einer Prüfpumpe verbunden, mit deren Hilfe man die Membran 3 gegen die Wandung
des Bohrloches anheftet. Der hydraulische Druck wird fortlaufend durch den Druckmesser
31 kontrolliert. Durch Einwirken auf die Pumpe kann man auf diesen Druck eine Reihe
von Veränderungen ausüben, die sich nach einem vorher.festgelegtän-Programm ergeben.
Die drei Ausdehnungsmesser liefern Signale, die unabhängig diametrale Verformungen
des Materials unter Wirkung des Druckes anzeigen, dem sie -durch die Membran 3 ausgesetzt
sind. Diese Signale werden automatisch durch die üblichen Mittel, die im einzelnen
nicht angegeben sind, abhängig von der Änderung des Druckes aufgezeichnet.
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Wenn ein solches Prüfprogramm an einer vorher bestimmten Tiefe beendet
ist, schaltet man die Pumpe ab. Dabei bleibt aber in dem Gehäuse der Vorrichtung
ein Restdruck, der aus der manometrischen Höhe folgt. Infolge dieses Restdruckes
bleibt die Hülle auf der Wandung der Bohrung haften.
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Um die Hülle von der Wandung des Bohrloches zu lösen, schließt man
den Erregungsstromkreis des Elektromagneten 28. Dadurch wird der Anker 29 angehoben
und ruft durch die Stoßstange 30 die Öffnung des Ventils 23 hervor. So wird das
Entweichen eines Teiles der hydraulischen Flüssigkeit in den Entleerungsbehälter
26 ermöglicht. Die teilweise Entleerung des Gehäuses des Geräts wird durch die Anzeigen
des Druckmessers 31 kontrolliert und bis zur Aufhebung des Restdruckes in dem Gerätgehäuse
fortgesetzt. Es sei hierbei bemerkt, daß das Öffnen des Ventils 23 mit Hilfe der
Stange 24 das Abschließen des Absperrkolbens 19 herbeiführt und diesen in seiner
Schließstellung verriegelt. Infolge dieser Anordnung ist das Gehäuse des Geräts
von der Zuführungsleitung getrennt, die angeschlossen bleiben kann.
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Sobald der Restdruck durch eine teilweise Entleerung des Gehäuses
aufgehoben ist, ist das Gerät frei und kann in ein anderes Niveau verlagert werden,
in dem ein neuer Meßvorgang beginnen kann. Der erste hydraulische Druckstoß ruft
dabei eine Betätigung des Absperrkolbens 19 hervor, da die Kraft, mit der die Verriegelung
21 wirkt, entsprechend begrenzt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel hat das Gehäuse des Geräts eine Länge
von 1,6 m und einen Durchmesser von 0,16 m. Es ist so ausgestaltet, daß es einen
Druck bis zu 150 kg/qcm ausüben kann. Eine Abdichtung mit zwölf Wegen ermöglicht
den Durchgang eines Kabels mit mehreren Leitungen und den Anschluß der Vorrichtung
an eine Meßtafel an der Oberfläche. Diese Schalttafel ermöglicht, gleichzeitig durch
eine graphische Aufzeichnung die gemessenen Deformationen an den drei gegenüberliegenden
Stellen zu verfolgen und den tatsächlichen hydraulischen Druck, der in dem Gerät
besteht und auf das Material übertragen wird, zu beobachten.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Einzelheiten des
Ausführungsbeispiels beschränkt. Diese können vielmehr in verschiedener Weise geändert
werden, ohne daß man den Umfang der Erfindung verläßt. So kann z. B. das Entleerungsventil
und der Absperrkolben zu einem Ventil kombiniert werden, z. B. zu einem Mehrwegeventil
bekannter Bauart. Man kann auch auf den Aufnahmebehälter für die Flüssigkeit verzichten,
wenn man den Verlust der hydraulischen Flüssigkeit in Kauf nimmt, besonders wenn
diese Flüssigkeit aus Wasser besteht. An Stelle der drei um 120° versetzt messenden
Ausdehnungsmesser kann man sich auch in besonderen Fällen mit zwei Ausdehnungsmessern
begnügen, die senkrecht zueinander liegen. Man kann aber auch die Prüfrichtungen
vermehren.