DE1573599C - Meßsonde zur gleichzeitigen Bestimmung von Bodenkennwerten - Google Patents

Description

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.

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 Boden- »5 proben 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 ao und Flügeisondierungen zur Bestimmung des Scherwiderstandes des Bodens durchgeführt.

Diese Untersuchungen werden jeweils getrennt und nacheinander zur Ermittlung bestimmter Kennwerte vorgenommen. Der geologische Schichtenbau kann «5 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, ein- zelne 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.

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.

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 An-Wendung dieser bekannten Einrichtung muß man die obenerwähnten Nachteile in Kauf nehmen.

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.

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.

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. Padurch, 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.

Weitere Einzelheiten werden nachfolgend an Hand eines zeichnerischen Ausführungsbeispiels einer Sonde näher erläutert.

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 7 für Neutronen, ein radioaktives Präparate, wie Radium-Beryllium-Präparat, eine Bleisäule 9 als Abschirmung und ein Zählrohr 10 für Gammastrahlung aufnimmt. - '. , :

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

Claims (7)

1. zur Schaftachse aufgeklebten Dehnmeßstreifen 4' den das Sondenrohr umgebenden Boden ein" und wird

   sind jeweils elektrisch hintereinandergeschaltet. Da- dort an den Elektronen gestreut. Eine Zunahme der

   mit wird verhindert, daß durch eventuell auftretende Dichte (Boden + Wasser = Feuchtraumdichte) be-.

   Biegebeanspruchungen der Sonde nicht existierende deutet eine Zunahme der Zahl der Elektronen und

   Druck- bzw. Zugbeanspruchungen vorgetäuscht 5 damit auch eine Zunahme der Streuung" der vom

   werden. Präparat ausgesandten Gammaquanten in Richtung

   Für die Messung einer Torsionsbeanspruchung des auf das Zählrohr 10. Bei noch höheren Dichten wird

   Schaftes 3 werden zwei Dehnmeßstreifen 4 in Halb- durch weitere Streuung und Absorption im Boden

   brückenschaltung aufgeklebt. Auch dieses Dehnmeß- ein Auftreffen der Gammaquanten auf das Zählrohr

   streifenpaar liegt in der Dehn- bzw. Stauchrichtung ίο verhindert. Die Abhängigkeit der Impulsrate am

   des zu messenden Beanspruchungszustandes, der bei Zählrohr von der Dichte des die Sonde umgebenden

   Torsion +45° zur Längsrichtung der Schaftober- Bodens zeigt durch Überlagerung dieser beiden

   fläche liegt. Bei dieser Anordnung kann weder durch Effekte zuerst einen ansteigenden Verlauf, der etwa

   Druck, Zug oder Biegung die Dehnmeßstreifen- bei Dichte lg/ccm ein Maximum besitzt und bei

   Halbbrücke zum Ansprechen gebracht werden. 15 höheren Dichten dann abfällt. Bei der Neutronen-

   Über dem Meßschaft 3 ist die Schutzhülse 5 ange- strahlung werden die von der gleichen Radiumbracht, die die Meßstreifen vor direkter mechanischer Beryllium-Quelle 8 ausgehenden schnellen Neutronen Beschädigung im Boden schützt, aber selbst keinerlei beim Durchdringen von Materie durch Zusammenmechanische Beanspruchung auf die Meßstreifen stoße mit den darin enthaltenen Kernen gebremst, überträgt. Die Hülse 5 ist erst oberhalb des Meß- so verlieren an Energie und werden gestreut. Die dabei schaftes am Sondenrohr angeschraubt, so daß eine entstehenden sogenannten langsamen bzw. ther-Beeinflussung der Messung durch die Schutzhülse, mischen Neutronen werden von einem in die Sonde z. B. erhöhte Mantelreibung, ausgeschlossen bleibt eingebauten Neutronenzählrohr 7 registriert. Da der Der Schaft 3 steht einerseits mit dem Sondenkopf 1 Energieverlust der schnellen Neutronen bei Wasser- und andererseits mit dem Sondenrohr 6 in Verbin- 35 stoffkernen am größten ist, ist die vom Zählrohr dung, und zwar derart, daß. dabei die Hülse 5 keine registrierte Impulsrate eine Funktion der Dichte der Druck- oder Torsionsbelastungen vom Schaft 3 fern- Wasserstoffkerne und damit des Wassergehaltes in hält. . ·' · der Materie.

   Zwecks Einleitung von Torsionsbeanspruchungen Für die Übertragung der Meßwerte der Dehnmeßin den Meßschaft 3 ist der Sondenkopf 1 mit Flü- 30 streifen an die Erdoberfläche ist ein mehradriges geln2 versehen. Die Drehung dieser Flügel 2 erfolgt Kabel 11 vorgesehen, das im Meßsondenrohr so gemanuell von der Erdoberfläche aus, wobei das ge- führt werden muß, daß eine Störung der Strahlungssamte Sondengestänge mit der Sonde gedreht wird. meßgeräte (Zählrohre, Bleisäule, Präparat) ausge-Ein zusätzlicher Gestängeeinsatz wird durch die schlossen bleibt Deshalb ist im äußeren Mantel der elektrische Messung unmittelbar an der Meßspitze 35 Meßsonde eine Nut eingefräst, in der das Kabel an hinter den Flügeln vermieden. Hierdurch wird die Zählrohren, Bleisäule und Präparat, die sich im gesamte Gestängemantelreibung, die sich bei der Inneren der Meßsonde befinden, vorbeigeführt wird. Drehung ergibt, meßtechnisch ausgeschaltet. Es sei Die Nut ist mit einem Blech abgedeckt und zugeerwähnt, daß bei bisher bekannten Flügelsonden die schweißt, um eine mechanische Zerstörung des Scherfestigkeit durch Messung des Drehmomentes 40 Kabels auszuschließen. Am oberen Ende der Meßan der Erdoberfläche bestimmt wurde. Zur Ausschal- sondenstange ist das Dehnmeßstreifenkabel ins Innere tung der Gestängemantelreibung waren in diesem der Meßsonde geführt und mit dem Strahlungsmeß-FaIl zusätzliche Gestängeeinsätze notwendig, die kabel gekoppelt Dieses mehradrige Kabel wird dann keinen direkten Bodenkontakt hatten. Die erfindungs- innerhalb der Gestängerohre bis an die Erdoberfläche gemäße Sonde wird mit Hilfe eines Gestänges und 45 geführt. Hier wird es wieder geteilt und an die eineiner geeigneten Druckvorrichtung in"den Boden ge- zelnen Meßwert-Registriergeräte angeschlossen,
   drückt, so daß ein unmittelbarer Kontakt zwischen Vorteilhaft kann dieses Problem der Übertragung Boden und Sonde besteht. In vorher abgeteuften der Meßwertimpulse an die Erdoberfläche auch da-Bohrlöchern kommt die Sonde nicht zum. Einsatz, durch gelöst werden, daß die Übertragung durch da durch das Bohren der Boden in seiner prspriing- 5° Funk erfolgt, wobei sich eine geringere Störanfälliglichen Lagerung gestört wird. · keit und einfachere Bedienung des Gerätes ergibt.

   Neben der Messung bestimmter Bodeneigen- . Eine gegenseitige Störung der einzelnen Meßelemente

   schäften mit dem beschriebenen Sondenabschnitt tritt dabei nicht ein.

   können nun gleichzeitig, ohne die Sonde nochmals Es sei noch erwähnt, daß die Zählrohranordnung niederbringen zu müssen, Dichte- und Wassergehalts- 55 auch so gewählt werden kann, daß an Stelle von 7 messungen durch Gamma- und Neutronenstrahlung das Gammazählrohr tritt, wobei zwischen Gammadurchgeführt werden. Hierzu ist ein radioaktives zählrohr 10 und Präparat 8 die Bleisäule 9 eingebaut Präparate in der Sonde untergebracht. Der Meß- . ist. Das Neutronenzählrohr7 wird dann oberhalb des effekt bei der Verwendung von Gammastrahlen zur Präparates an Stelle des Gammazählrohres und der Dichtemessung beruht darauf, daß von einer geeig- 60 Bleisäule eingebaut
   neten radioaktiven Strahlungsquelle 8 (z. B. Radium- Patentansprüche-Beryllium-Präparat) allseitig Gammastrahlung aus- .-.·■'
   gesendet wird. Diese Strahlung wird von einem 1. Meßsonde zur gleichzeitigen Bestimmung Geiger-Müller-Zählrohr 10 der üblichen Bauart ge- von Bodenkennwerten, wie Feuchtraumdichte messen. Zwischen Strahlungsquelle und Zählrohr ist ⁶S und Wassergehalt, Druckfestigkeit ohne Mantelin der Sonde eine Bleiabschirmung 9 angebracht, die reibung und Scherwiderstand an einer Meßstelle, einen direkten Strahlungseinfall von der Quelle zum bestehend aus einem Sondenrohr mit Eindring-Zählrohr verhindert. Die Gammastrahlung dringt in spitze und Meßelementen mit Meßwertübertra-

   .gungselementen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) elektronische Meßwertgeber (4), wie Dehnungsmeßstreifen od. dgl., zur Druckspannungsmessung, welche an einem im Bereich des Sondenkopfes (1) angeordneten Meßschaft (3) befestigt sind;

   b) elektronische Meßwertgeber (4') zur Torsionsspannungsmessung, welche ebenfalls am

   ■ Meßschaft (3) befestigt sind; ^f : 1 ;'.

   c) eine Reihe in Vortriebsrichtung der Sonde hinter dem Meßschaft (3) nacheinander angeordneten Elementen, so ein Zählrohr (7) für Gammastrahlen, eine Strahlungsquelle ^ls

   • (8), wie radioaktives Präparat, eine Strah-' lungsabschirmung (9) und ein Zählrohr (10) ■'■ für Neutronen. - ■■ ^
2. 2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (1) mit achsparallel verlaufenden Flügeln (2) versehen ist.
3. 3. Meßsonde nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (1)

   30 über den Meßschäft (3) mit dem Sondenrohr (6) starr verbunden ist. . :
4. 4. Meßsonde riach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschaft (3) mit einer Hülse (5) umgeben ist, die den gleichen Außenumfang wie das Sondenrohr (6) und einen größeren Innendurchmesser als den Außendurchmesser des Schaftes (3) hat. :
5. • 5. Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (11) der Meßwertgeber (4, 4') und des Zählrohres (7) in einer Nut am Außenumfang des Sondenrohres (6) geführt sind, die mit einer Abdeckung versehen ist. _{? ;} ν; , ; ,· 1
6. 6. Meßsonde naqh Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen bzw. Kabel (11) im oberen Sondenbereich mit der Meßwertleitung des Zählrohres (10) zu einem Kabel zusammengeführt sind. -..'-. ■'■■·.■·.' '.:;·;■. ;^; ,;.V. ,.;..■.-:.':...
7. 7. Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertgeber (4, 4') (7, 10) mit Meßwertübertragungssystemen wie Sender und Empfänger gekoppelt sind. ; '

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen