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Die Erfindung betrifft eine Meßsonde zur gleichzeitigen Bestimmung
von Bodenkennwerten, wie Feuchtraumdichte und Wassergehalt, Druckfestigkeit ohne
Mantelreibung und Scherwiderstand an einer Meßstelle, die aus einem Sondenrohr mit
Eindringspitze und Meßelementen mit Meßwertsübertragungselementen besteht.
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Zur Erkundung des geologischen Schichtenaufbaues von Lockergesteinen
und zur Bestimmung von bodenphysikalischen Eigenschaften der zu untersuchenden Bodenarten,
vor allem bei Baugrunduntersuchungen, ist es bekannt, neben der Laboruntersuchung
von aus Bohrungen entnommenen Bodenproben Sondierungen durchzuführen, wobei physikalische
Kennwerte des Bodens ohne eine Entnahme von Bodenproben direkt an Ort. und Stelle
im Boden gemessen werden, und zwar werden unter anderem Isotopensondierungen zur
Dichte- und Wassergehaltsmessung, Drucksondierungen zur Bestimmung des Eindringwiderstandes
bzw. der Kompressibilität des Bodens und Flügelsondierungen zur Bestimmung des Scherwiderstandes
des Bodens durchgeführt.
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Diese Untersuchungen werden jeweils getrennt und nacheinander zur
Ermittlung bestimmter Kennwerte vorgenommen. Der geologische Schichtenbau kann auf
eng begrenztem Raum so stark wechseln, daß die einzeln durchgeführten Sondierungen
oft sich widersprechende Ergebnisse liefern. Darüber hinaus ist es sehr zeitraubend,
aufwendig und kostspielig und daher in den meisten Fällen nicht durchführbar, einzelne
bekannte Sondierverfahren nacheinander oder nebeneinander für die Untersuchung des
Bodens, vor allem bei Baugrunduntersuchungen, einzusetzen, wie sie beispielsweise
in der VDI-Zeitschrift, 1962, Nr.30, S. 1543 bis -1554; in »Elektronik«, 1964, Heft
10, S. 311, 312, oder in »Geoelektrische Baugrunduntersuchungen«, VEB Verlag, 1960,
S.55 bis 58, beschrieben sind. Weiterhin ist zu beachten, daß durch mehrfaches Einbringen
von Sonden an ein und dieselbe Stelle zur Ermittlung mehrerer Kennwerte der zu untersuchende
Bodenbereich in einem Maße gestört wird, daß die Meßwerte keine korrekte Wiedergabe
der tatsächlichen Bodenverhältnisse gewährleisten.
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Zur Ermittlung von Bodenkennwerten im Rahmen der erwähnten und bekannten
Sondierungsmethoden ist es bekannt, im einzelnen zur Spannungs- und Dehnungsmessung
Sonden zu benutzen, die mit Spannungs-Dehnungs-Messern im Bereich ihrer Spitze ausgestattet
sind. Zur Dichtemessung ist es bekannt, in vorgebohrten Bohrlöchern geeignet gestaltete
Einrichtungen absinken zu lassen, die mit Strahlungsquellen und auf diese ansprechende
Detektoranordnungen ausgestattet sind, während eine Spitzendrucksonde nach der französischen
Patentschrift 983 514 lediglich eine Messung des Spitzendruckes und der Mantelreibung
zuläßt und mit einer Sonde nach der USA.-Patentschrift 2 603 967 lediglich die Scherfestigkeit
bestimmt werden kann.
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Es ist auch bekannt, zunächst einen Rohrstrang in den Boden zu treiben
und in diesem Rohrstrang dann die Meßanordnung abzusenken, die beispielsweise aus
einem Zählrohr mit abschirmenden Bleisäulen besteht. Am unteren Ende der Bleisäule
ist ein radioaktives Präparat angeordnet. Bei der Anwendung dieser bekannten Einrichtung
muß man die obenerwähnten Nachteile in Kauf nehmen.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Sonde zu schaffen,
mit der man gleichzeitig mehrere bodenphysikalische Parameter der genannten Art
an Ort und Stelle, d. h. unter gleichen geologischen Bedingungen während einer Sondenabteufung
messen kann.
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Diese Aufgabe ist mit einer Meßsonde der genannten Art gelöst, die
nach der Erfindung gekennzeichnet ist durch die Kombination der folgenden Merkmale
a) elektronischer Meßwertgeber, wie Dehnungsmeßstreifen od. dgl., zur Druckspannungsmessung,
welche an einem im Bereich des Sondenkopfes angeordneten Meßschaft befestigt sind;
b) elektronische Meßwertgeber zur Torsionsspannungsmessung, welche ebenfalls am
Meßschaft befestigt sind; c) eine Reihe in Vortriebsrichtung der Sonde hinter dem
Meßschaft nacheinander angeordneten Elementen, so ein Zählrohr für Gammastrahlen,
eine Strahlungsquelle, wie radioaktives Präparat, eine Strahlungsabschirmung und
ein Zählrohr für Neutronen.
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Mit einer solchen Sonde werden sich widersprechende Meßergebnisse
beim Einsatz einzelner Sonden nacheinander oder nebeneinander auf eng begrenztem
Raum, bedingt durch den wechselnden Schichtenaufbau, ausgeschaltet. Dadurch, daß
eine solche kombinierte Sonde mehr Kennwerte liefert als die im einzelnen bekannten
Sondierverfahren bzw. Sonden, kann das physikalische Verhalten des Bodens, z. B.
im Hinblick auf seine Tragfähigkeit oder Standfestigkeit, besser und schneller beurteilt
werden als mit Hilfe einzelner Sondierverfahren und auf jeden Fall schneller als
mit Hilfe von entnommenen Bodenproben, da an einer Stelle in beliebiger Tiefe gleichzeitig
mehrere physikalische Eigenschaften des umgebenden Bodens gemessen werden können,
ohne durch wiederholtes Einfahren einer Sonde an der gleichen oder einer unmittelbar
benachbarten -Stelle den zu messenden Bodenbereich mehr zu stören, als durch einmaliges
Einbringen der Sonde in den Boden erforderlich ist.
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Weitere Einzelheiten werden nachfolgend an Hand eines zeichnerischen
Ausführungsbeispiels einer Sonde näher erläutert.
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Gemäß Darstellung besteht die Sonde aus einem spitzzulaufenden Sondenkopf
1 mit Flügeln 2. An diesen Sondenkopf 1 schließt sich ein Meßschaft 3 an, der mit
Dehnungsmeßstreifen 4, 4' besetzt und mit einer Abdeckhülse 5 ummantelt ist. Der
dritte Abschnitt der Sonde besteht aus einem Rohr 6, das ein Zählrohr'? für Neutronen,
ein radioaktives Präparat 8, wie Radium-Beryllium-Präparat, eine Bleisäule 9 als
Abschirmung und ein Zählrohr 10 für Gammastrahlung aufnimmt.
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Diese derart aufgebaute Sonde bildet den Anfang eines nicht dargestellten
Gestänges, mit dem die Sonde in den Boden eingedrückt und an die Meßstelle gebracht
wird. Die elektronischen Meßgeber, d. h. Dehnmeßstreifen 4, 4' sind so am Schaft
3 angeordnet, daß sie jeweils nur in der Druck- bzw. der Stauchungsrichtung des
Schaftes 3 liegen, d. h. die Dehnmeßstreifen, die auf Druckbeanspruchung ansprechen
sollen, sind parallel (Stauchung) bzw. senkrecht (Dehnung) zur Sondenachse angeordnet.
Eine weitere sogenannte Dehnmeßstreifen-Halbbrücke wird auf der anderen Seite des
Meßschaftes (um 180° versetzt) in der gleichen Anordnung aufgeklebt. Die beiden
parallel zur Schaftachse und senkrecht
zur Schaftachse aufgeklebten
Dehnmeßstreifen 4' sind jeweils elektrisch hintereinandergeschaltet. Damit wird
verhindert, daß durch eventuell auftretende Biegebeanspruchungen der Sonde nicht
existierende Druck- bzw. Zugbeanspruchungen vorgetäuscht werden.
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Für die Messung einer Torsionsbeanspruchung des Schaftes 3 werden
zwei Dehnmeßstreifen 4 in Halbbrückenschaltung aufgeklebt. Auch dieses Dehnmeßstreifenpaar
liegt in der Dehn- bzw. Stauchrichtung des zu messenden Beanspruchungszustandes,
der bei Torsion ±45° zur Längsrichtung der Schaftoberfläche liegt. Bei dieser Anordnung
kann weder durch Druck, Zug oder Biegung die Dehnmeßstreifen-Halbbrücke zum Ansprechen
gebracht werden.
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Über dem Meßschaft 3 ist die Schutzhülse 5 angebracht, die die Meßstreifen
vor direkter mechanischer Beschädigung im Boden schützt, aber selbst keinerlei mechanische
Beanspruchung auf die Meßstreifen überträgt. Die Hülse 5 ist erst oberhalb des Meßschaftes
am Sondenrohr angeschraubt, so daß eine Beeinflussung der Messung durch die Schutzhülse,
z. B. erhöhte Mantelreibung, ausgeschlossen bleibt. Der Schaft 3 steht einerseits
mit dem Sondenkopf 1 und andererseits mit dem Sondenrohr 6 in Verbindung, und zwar
derart, daß dabei die Hülse 5 keine Druck- oder Torsionsbelastungen vom Schaft 3
fernhält.
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Zwecks Einleitung von Torsionsbeanspruchungen in den Meßschaft 3 ist
der Sondenkopf 1 mit Flügeln 2 versehen. Die Drehung dieser Flügel 2 erfolgt manuell
von der Erdoberfläche aus, wobei das gesamte Sondengestänge mit der Sonde gedreht
wird. Ein zusätzlicher Gestängeeinsatz wird durch die elektrische Messung unmittelbar
an der Meßspitze hinter den Flügeln vermieden. Hierdurch wird die gesamte Gestängemantelreibung,
die sich bei der Drehung ergibt, meßtechnisch ausgeschaltet. Es sei erwähnt, daß
bei bisher bekannten Flügelsonden die Scherfestigkeit durch Messung des Drehmomentes
an der Erdoberfläche bestimmt wurde. Zur Ausschaltung der Gestängemantelreibung
waren in diesem Fall zusätzliche Gestängeeinsätze notwendig, die keinen direkten
Bodenkontakt hatten. Die erfindungsgemäße Sonde wird mit Hilfe eines Gestänges und
einer geeigneten Druckvorrichtung in den Boden gedrückt, so daß ein unmittelbarer
Kontakt zwischen Boden und Sonde besteht. In vorher abgeteuften Bohrlöchern kommt
die Sonde nicht zum Einsatz, da durch das Bohren der Boden in seiner ursprünglichen
Lagerung gestört wird.
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Neben der Messung bestimmter Bodeneigenschaften mit dem beschriebenen
Sondenabschnitt können nun gleichzeitig, ohne die Sonde nochmals niederbringen zu
müssen, Dichte- und Wassergehaltsmessungen durch Gamma- und Neutronenstrahlung durchgeführt
werden. Hierzu ist ein radioaktives Präparat 8 in der Sonde untergebracht. Der Meßeffekt
bei der Verwendung von Gammastrahlen zur Dichtemessung beruht darauf, daß von einer
geeigneten radioaktiven Strahlungsquelle 8 (z. B. Radium-Beryllium-Präparat) allseitig
Gammastrahlung ausgesendet wird. Diese Strahlung wird von einem Geiger-Müller-Zählrohr
10 der üblichen Bauart gemessen. Zwischen Strahlungsquelle und Zählrohr ist in der
Sonde eine Bleiabschirmung 9 angebracht, die einen direkten Strahlungseinfall von
der Quelle zum Zählrohr verhindert. Die Gammastrahlung dringt in den das Sondenrohr
umgebenden Boden ein und wird dort an den Elektronen gestreut. Eine Zunahme der
Dichte (Boden + Wasser = Feuchtraumdichte) bedeutet eine Zunahme der Zahl der Elektronen
und damit auch eine Zunahme der Streuung der vom Präparat ausgesandten Gammaquanten
in Richtung auf das Zählrohr 10. Bei noch höheren Dichten wird durch weitere Streuung
und Absorption im Boden ein Auftreffen der Gammaquanten auf das Zählrohr verhindert.
Die Abhängigkeit der Impulsrate am Zählrohr von der Dichte des die Sonde umgebenden
Bodens zeigt durch überlagerung dieser beiden Effekte zuerst einen ansteigenden
Verlauf, der etwa bei Dichte 1 g/ccm ein Maximum besitzt und bei höheren Dichten
dann abfällt. Bei der Neutronenstrahlung werden die von der gleichen Radium-Beryllium-Quelle
8 ausgehenden schnellen Neutronen beim Durchdringen von Materie durch Zusammenstöße
mit den darin enthaltenen Kernen gebremst, verlieren an Energie und werden gestreut.
Die dabei entstehenden sogenannten langsamen bzw. thermischen Neutronen werden von
einem in die Sonde eingebauten Neutronenzählrohr 7 registriert. Da-' der
Energieverlust der schnellen Neutronen bei Wasserstoffkernen am größten ist, ist
die vom Zählrohr registrierte Impulsrate eine Funktion der Dichte der Wasserstoffkerne
und damit des Wassergehaltes in der Materie.
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Für die Übertragung der Meßwerte der Dehnmeßstreifen an die Erdoberfläche
ist ein mehradriges Kabel 11 vorgesehen, das im Meßsondenrohr so geführt
werden muß, daß eine Störung der Strahlungsmeßgeräte (Zählrohre, Bleisäule, Präparat)
ausgeschlossen bleibt. Deshalb ist im äußeren Mantel der Meßsonde eine Nut eingefräst,
in der das Kabel an Zählrohren, Bleisäule und Präparat, die sich im Inneren der
Meßsonde befinden, vorbeigeführt wird. Die Nut ist mit einem Blech abgedeckt und
zugeschweißt, um eine mechanische Zerstörung des Kabels auszuschließen. Am oberen
Ende der Meßsondenstange ist das Dehnmeßstreifenkabel ins Innere der Meßsonde geführt
und mit dem Strahlungsmeßkabel gekoppelt. Dieses mehradrige Kabel wird dann innerhalb
der Gestängerohre bis an die Erdoberfläche geführt. Hier wird es wieder geteilt
und an die einzelnen Meßwert-Registriergeräte angeschlossen.
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Vorteilhaft kann dieses Problem der Übertragung der Meßwertimpulse
an die Erdoberfläche auch dadurch gelöst werden, daß die Übertragung durch Funk
erfolgt, wobei sich eine geringere Störanfälligkeit und einfachere Bedienung des
Gerätes ergibt. Eine gegenseitige Störung der einzelnen Meßelemente tritt dabei
nicht ein.
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Es sei noch erwähnt, daß die Zählrohranordnung auch so gewählt werden
kann, daß an Stelle von 7 das Gammazählrohr tritt, wobei zwischen Gammazählrohr
10 und Präparat 8 die Bleisäule 9 eingebaut ist. Das Neutronenzählrohr 7 wird dann
oberhalb des Präparates an Stelle des Gammazählrohres und der Bleisäule eingebaut.