DE19748580C1

DE19748580C1 - Kombinations-Tiefensonde und Verfahren zur gleichzeitigen Messung von Porenwasserdrücken und dynamischen Meßgrößen auch in unmittelbarer Nähe starker Initiale

Info

Publication number: DE19748580C1
Application number: DE19748580A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dipl Ing Friedrich; Helmut Dipl Ing Schubert; Nandor Dipl Ing Tamaskovics
Original assignee: LAUSITZER und MITTELDEUTSCHE B
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2017-11-05

Description

Die Erfindung betrifft eine Kombinations-Tiefensonde zur gleichzeitigen Erfassung von Poren wasserdrücken und dynamischen Meßgrößen im Untergrund, möglich auch in unmittelbarer Umge bung starker Initiale.

Messungen von Porenwasserdrücken (PWD) und dynamischen Meßgrößen, insbesondere Partikelbeschleunigungen, gehören bereits seit langem zum Standardprogramm geotechnischer Feldmessungen.

Bei dynamischer Belastung des Bodens, wie sie z. B. bei der Verdichtung von Kippenböden, insbesondere bei locker gelagerten, weitgehend gesättigten, nichtbindigen Böden, mittels Untergrundsprengung, Rütteldruckverdichtung und dynamischer Intensivverdichtung o. ä. auftritt, kommt der Erfassung dieser Meßgrößen besondere Bedeutung zu. Sie gestatten Rück schlüsse auf den Verdichtungserfolg, die Stabilität des Bodens, die mögliche Gefahr von Setzungsfließen und Grundbrüchen sowie die Standsicherheit, von Böschungen.

PWD-Messungen in unmittelbarer Nähe von starken Initialen werden bisher mit sogenannten "Verlorenen Gebern" durchgeführt, indem die Sondierspitze mit den Meßaufnehmern nach dem Eindrücken in den Boden vom Gestänge entkoppelt wird. Das Gestänge wird herausge zogen, die Spitze verbleibt im Boden und kann auch nach der Messung nicht geborgen und wiederverwendet werden.

Herkömmliche Drucksondierungen mit Erfassung des Porenwasserdruckes (Cone penetration test with pore pressure sensor) können dagegen beim Eintrag starker Initiale in den Boden aus Sicherheitsgründen nicht in deren unmittelbarer Umgebung, d. h. im gefährdeten Bereich, durchgeführt werden (z. B. im Nahfeld von Sprengungen am Böschungsrand eines Tagebau restloches), da der Meßaufnehmer starr mit dem Eindrückgerät verbunden ist und somit das Gerät einschließlich der Besatzung bis zum Ende der Messungen vor Ort bleiben müßte. Ein weiterer Nachteil von bisherigen PWD-Messungen besteht darin, daß beim Durchfahren bindiger Bodenschichten oft die Eintrittsöffiiungen für das Porenwasser verstopft bzw. zuge schmiert werden, wodurch die Messung stark verfälscht oder unmöglich ist.

Dynamische Messungen im Boden werden bisher durch Installation eines Meßaufnehmers auf einer Bohrlochsonde durchgeführt (z. B. Tiefengeophon). Das verursacht einen erheblichen Mehraufwand, bedingt durch das notwendige Abteufen der Bohrung. Auch hier sind die Geber nach der Messung in der Regel verloren.

Zudem sind derartige Messungen schlecht im wassergesättigten Bereich möglich.

Außerdem kann festgestellt werden, daß Einzelmerkmale der erfindungsgemäßen Kombina tions-Tiefensonde in der Patentliteratur beschrieben werden. So ist in der DE 296 06 301 U1 eine Bohrlochsonde beschrieben, die aus einem Basisteil besteht, an dem zumindest ein Meßmodul und/oder ein Führungsmodul lösbar und damit auswechselbar mittels einer Kupplung befestigt sind.

Die DE 195 49 250 C1 dagegen beschreibt eine Druck- oder Rammsonde, die zur Auffindung von im Boden verborgener Munition dient, und in der im Sondenkopf ein Metalldetektor sowie zusätzlich unter anderem ein Geophon zur Erfassung reflektierender Wellen eingebaut sind. In der DE 33 05 189 A1 wird eine Bohrlochsonde für die Übertragung und/oder Aufnahme seismischer Signale an einer Bohrlochwand dargestellt, bei der der Erreger oder ein Empfänger direkt an der Wand des Bohrloches sowie einander gegenüber liegend angeordnet sind und bei der mittels Schwingungen der Schallempfänger vom Sondenkörper entkoppelbar ist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Kombina tions-Tiefensonde und das dazu notwendige Verfahren anzugeben, die eine gleichzeitige Messung des Porenwasserdruckes sowie der Beschleunigung der Bodenpartikel auch in unmit telbarer Nähe starker Initiale im Untergrund ermöglichen, ohne daß die Kombinations-Tiefen sonde dabei verloren geht.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus Patent anspruch 1 bzw. 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen stand der weiteren Patentansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Kombinations-Tiefensonde ist demnach die Sondenspitze, die der Aufnahme der Meßaufnehmer für Porenwasserdruck und Schwingbe schleunigung dient, auf den Sondenkörper aufsteckbar und entkoppelbar angeordnet. Der starr am Gestänge befestigte Sondenkörper und die Sondenspitze sind flexibel, vorzugsweise mit Stahlseilen, miteinander verbunden. Dabei ist das eine Ende der Stahlseile fest an der Sondenspitze befestigt, das andere Ende ist bis zu einem Endanschlag in Sondierlängsrichtung gegenüber dem Sondenkörper beweglich, so daß ein Entkoppeln der aufgesteckten Sondens pitze möglich ist.

Durch die Anordnung der Eintrittsöffnungen für das Porenwasser in dem Bereich der Sonden spitze, der in den Sondenkörper einsteckbar ist, werden diese erst durch den Entkopplungs vorgang freigegeben, wodurch ein "Verschmieren" der Öffnungen bzw. Filter während des Eindrückens ausgeschlossen ist.

Die Gefahr des Abreißens der Sondenspitze beim Herausziehen der Sonde kann durch eine Fase an der dem Sondenkörper zugewandten Kante der Sondenspitze und durch eine Verringerung des Durchmessers der Sondenspitze gegenüber dem des Sondenkörpers ver mindert werden.

Über ein von der Sondenspitze durch das Gestänge an die Oberfläche geführtes Meßkabel werden die Meßdaten zur Meßdatenerfassung übertragen.

Die erfindungsgemäße Kombinations-Tiefensonde wird vor der Messung mit einem Sondier gestänge in den zu untersuchenden Boden eingedrückt. Nach Erreichen der gewünschten Tiefe wird das Sondiergestänge soweit zurückgezogen, bis die Sondenspitze vom starr am Gestänge befestigten Sondenkörper entkoppelt und quasi frei beweglich ist. Das Sondiergestänge bleibt während der Messung im Boden.

Nach Abschluß der Messungen wird die Kombinations-Tiefensonde durch Herausziehen des Sondiergestänges wieder geborgen und kann ohne Einschränkungen für weitere Messungen wiederverwendet werden.

Mit der erfindungsgemäßen Kombinations-Tiefensonde und dem dazugehörigen Verfahren können Porenwasserdrücke und das Schwingverhalten, wie Schwingbeschleunigung und Schwinggeschwindigkeit, bis in große Tiefen und mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Der die Beschleunigungsmeßwerte verfälschende Einfluß der Schwingungen des Sondierge stänges wird fast vollständig beseitigt. Durch die freie Beweglichkeit der Sondenspitze und die gute Kopplung zwischen Boden und Meßaufnehmer ist eine Erfassung des dynamischen Bodenverhaltens in hoher Qualität möglich. Die Messungen sind auch in unmittelbarer Nähe von starken Anregungen des Bodens, hervorgerufen z. B. durch Sprengungen und dynamische Intensiverdichtung, in deren Nähe der Aufenthalt von Personen aus Sicherheitsgründen nicht möglich ist, durchführbar. Die Sonde wird nicht als verlorene Sonde eingesetzt, sondern ist beliebig oft wiederverwendbar.

Die erfindungsgemäße Kombinations-Tiefensonde und das Meßverfahren ermöglichen eine gleichzeitige Messung des Porenwasserdruckes und des Schwingverhaltens der Bodenpartikel in unmittelbarer Nähe starker Initiale im Untergrund, ohne daß die Sonde dabei verloren geht.

Ein Ausführungsbeispiel soll anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wobei

Fig. 2a die aufgesteckte,

Fig. 2b die entkoppelte erfindungsgemäße Kombinationstiefensonde zeigen und in

Fig. 1 die Meßanordnung bei einer Sprengung an einer Böschung dargestellt ist.

Die Sondenspitze 1, welche die Meßaufnehmer für den Porenwasserdruck 2 und Schwingbe schleunigung 3 aufnimmt, ist auf den Sondenkörper 4 nur aufgesteckt und lediglich durch Stah lseile 5 beweglich mit diesem verbunden. Die Stahlseile 5 sind beweglich durch das in der Mitte der Sonde befindliche Gewindestück 6 geführt. Ein Ende jedes Stahlseiles 5 ist mittels Gewin determinals 7 fest am oberen Ende der Sondenspitze 1 verschraubt, das zweite Ende der Stahl seile 5 ist jeweils mit Endverpressungen 8 versehen. Durch das Zurückziehen des Sondierge stänges 9 entkoppelt sich die Sondenspitze 1 vom starr am Sondiergestänge 9 befestigten Sondenkörper 4 aufgrund der auftretenden Mantelreibung. Der die Beschleunigungsmeßwerte verfälschende Einfluß der Schwingungen des Sondiergestänges 9 wird somit fast vollständig beseitigt. Die Erfassung des dynamischen Bodenverhaltens ist aufgrund der freien Beweglich keit der entkoppelten Sondenspitze 1 und der guten Kopplung zwischen Boden und Meßauf nehmer in hoher Qualität möglich.

Durch eine entsprechende Anordnung der Eintrittsöffnungen 10 für das Porenwasser in dem Bereich der in den Sondenkörper 4 einsteckbaren Sondenspitze 1 werden diese erst beim Entkopplungsvorgang freigegeben, so daß ein "Verschmieren" der Öffnungen bzw. Filter während des Eindrückens der erfindungsgemäßen Sonde ausgeschlossen wird.

Die erfindungsgemäße Kombinations-Tiefensonde wird vor der Messung mit gewöhnlichem Sondiergestänge 9 in den Boden eingedrückt. Nach Erreichen der gewünschten Meßtiefe wird das Sondiergestänge 9 soweit wieder herausgezogen, bis die Sondenspitze 1 frei beweglich ist. Im folgenden wird das Eindrückgerät vom Sondiergestänge 4 getrennt. Das Sondiergestänge 9 verbleibt während das ganzen Meßvorganges im Boden. Über ein von der Sondenspitze 1 durch das Sondiergestänge 9 an die Oberfläche führendes Meßkabel 11 werden die Meßwerte an einen Datensammler und von dort zum Meßrechner übertragen. Dieser sowie das Meßpersonal befinden sich dabei in sicherer Entfernung vom Meßpunkt.

Dadurch können Meßdaten in der unmittelbaren Umgebung des Initiales, auch bei gefährlichen Arbeiten, wie Sprengungen, gewonnen werden, ohne daß Gefahr für das Meßpersonal besteht.

Claims

1. Kombinations-Tiefensonde zur gleichzeitigen Erfassung von Porenwasserdrücken und dynamischen Meßgrößen im Untergrund, bestehend aus einer Sondenspitze zur Aufnahme von Meßaufnehmern für Porenwasserdruck und Schwingbeschleunigung und einem starr mit einem Sondiergestänge verbundenen Sondenkörper, dadurch gekenn zeichnet, daß Sondenspitze (1) und Sondenkörper (4) aufeinander aufsteckbar und voneinander entkoppelbar ausgestaltet und durch eine flexible, in Sondenlängsrichtung verschiebbare Verbindung miteinander verbunden sind.

2. Kombinations-Tiefensonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible, in Sondenlängsrichtung verschiebbare Verbindung aus Stahlseilen (5) besteht, deren eines Ende an der Sondenspitze (1) festgelegt ist und deren anderes Ende bis zu einem Endausschlag in Sondierlängsrichtung gegenüber dem Sondenkörper (4) beweglich ist.

3. Kombinations-Tiefensonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß verteilt auf den Umfang der Sondenspitze (1) Eintrittsöffnungen für Porenwasser (10) angeordnet sind, die erst beim Entkoppeln der Sondenspitze (1) vom Sondenkörper (4) freigegeben werden.

4. Kombinations-Tiefensonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Sondenkörper (4) zugewandte Kante der Sonden spitze (1) zur Erleichterung der Bergung der Sondenspitze (1) eine Fase aufweist.

5. Kombinations-Tiefensonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenspitze (1) einen geringeren Durchmesser besitzt als der Sondenkörper (4).

6. Verfahren zur gleichzeitigen Messung von Porenwasserdrücken und Partikelbeschleu nigungen, auch in unmittelbarer Nähe starker Initiale unter Verwendung der Kombinations-Tiefensonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenspitze (1) nach dem Eindrücken in den Boden mittels des Sondier gestänges (9) durch geringfügiges Zurückziehen des Sondiergestänges (9) entkoppelt und damit quasi frei beweglich ist.