DE19828355A1

DE19828355A1 - Pneumatisch-Dynamische-Sonde und Verfahren zur Erkundung und Beurteilung kollabiler, nichtbindiger Böden

Info

Publication number: DE19828355A1
Application number: DE1998128355
Authority: DE
Inventors: Norbert Pralle; Gerd Gudehus
Original assignee: LAUSITZER und MITTELDEUTSCHE B
Current assignee: LMBV LAUSITZER UND MITTELDEUTSCHE BERGBAU-VERW, DE
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2018-06-26
Also published as: DE19828355C2

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit dem die Kollapsneigung eines Bodens als Grundlage für eventuelle Stabilisierungsmaßnahmen erkundet und beurteilt werden kann. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Pneumatisch-Dynamische-Sonde besteht aus einer hohlen Sondierstange, an deren unteren Ende eine Hochdruckkammer, ein Magnetventil, ein die nach oben führende Druckentlastungsleitung schließendes Ventil, Druckaufnehmer, vier Öffnungen und ein Spitzendruckgeber angebracht sind. Über eine Hochdruckleitung wird die Hochdruckkammer mit einer Flüssigkeit wie Wasser oder einem Gas wie Luft oder aus einer Kombination beider versorgt. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren sieht ein Belastungsinitial durch den Eintrag dosierbarer und damit ungefährlich kleiner Impulse dieses natürlichen Fluids vor, wobei bodenphysikalische Meßgrößen wie Porenwasserüberdruckverteilungen, Partikel- und Laufzeitgeschwindigkeiten, Lagerungsdichte und Erddruck online aufgezeichnet und zur Beurteilung des Bodens ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit dem die Kollapsneigung eines Bodens als Grundlage für eventuelle Stabilisierungsmaßnahmen erkundet und beurteilt werden kann.

Nichtbindiger, weitgehend gesättigter Boden ist bei sehr lockerer Lagerung, besonders an Böschungen, instabil. Schon kleine Störungen, hervorgerufen z. B. durch Fahrzeuge, wetterbe dingte Druckschwankungen und Seismizität, können einen lokalen Kollaps bewirken, aus dem sich großflächige Rutschungen, wie z. B. die Setzungsfließen auf den Kippen ehemaliger Tage baugebiete, entwickeln können. Dies stellt eine erhebliche Gefahr für die Nutzung dar. Um solche Gebiete zugänglich sowie nutzbar zu machen, werden vorzugsweise Stabilisierungs verfahren allein mit Verdichtung angewendet. Durch Störungen eines Bodenbereiches, z. B. Detonation beim Sprengverdichten, Vibration eines Rüttlers während der Rütteldruckverdich tung, Aufprall eines großen Fallgewichtes bei der dynamischen Intensivverdichtung wird der Porenwasserdruck derart erhöht, daß der Korngerüstdruck stellenweise verschwindet und kurzzeitig eine Suspension vorliegt. Schon nach kurzer Zeit reorganisiert sich das Korngerüst mit einer höheren Lagerungsdichte als vor dem Störungseintrag. Die Neigung des Bodens zur Verflüssigung nimmt mit seiner Porenzahl zu, besonders wenn diese einen kritischen Wert überschreitet. Eine Gefahr liegt dabei in der Unkenntnis der Versagensanfälligkeit des Bodens. Sind die Störungen zu hoch, z. B. durch falsch dimensionierte Ladungsmengen beim Spreng verdichten, können großräumige Rutschungen ausgelöst werden.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Sonde zu ent wickeln, durch die ein kontrollierter Eintrag eines Belastungsinitials in den Boden zur Beur teilung von dessen Rutschungsanfälligkeit möglich ist.

Das nach Anspruch 2 dargestellte Verfahren sieht ein Belastungsinitial durch den Eintrag dosierbarer und damit ungefährlich kleiner Impulse eines natürlichen Fluids vor, wobei boden physikalische Meßgrößen wie Porenwasserüberdruckverteilungen, Partikel- und Laufzeitge schwindigkeiten, Lagerungsdichte und Erddruck online aufgezeichnet und zur Beurteilung des Bodens ausgewertet werden.

Die mit der erfindungsgemäßen Pneumatisch-Dynamischen-Sonde erzielten Vorteile liegen in deren Funktionsvielfalt, komplexen Einsatzmöglichkeit und hohen Kontrollierbarkeit. Auch ist das gemäß der Erfindung durch die Impulse eingetragene Fluid natürlich und nicht härtend, so daß es den untersuchten Boden und damit die Umwelt nicht belastet.

Die erfindungsgemäße Pneumatisch-Dynamische-Sonde besteht aus einer hohlen Sondier stange, an deren unteren Ende eine Hochdruckkammer, ein Magnetventil, ein die nach oben führende Druckentlastungsleitung schließendes Ventil, Druckaufnehmer, vier Öffnungen und ein Spitzendruckgeber angebracht sind. Über eine Hochdruckleitung wird die Hochdruck kammer mit einer Flüssigkeit wie Wasser oder einem Gas wie Luft oder aus einer Kombination beider versorgt. Entscheidend ist, daß das Fluid unter sehr hohem Druck in sehr kurzer Zeit in den Boden eingetragen und dadurch ein definierter mechanischer Impuls auf den Boden über tragen wird, wobei Arbeitsdrücke und Impulsfrequenz schnell eingestellt und variiert werden können.

Der Spitzenwiderstand des Bodens kann bis zur maximalen Tiefe gemessen werden. Während des Herausziehens der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde werden in zu bestimmenden Tiefen mittels empirischer Korrelation von zuvor gemessenen Sondierwiderständen und bodenphysi kalischen Meßgrößen bestimmte Anzahl und Größe von Impulsen eingetragen. Aufgrund der Porenwasserdruckentwicklung wird der Boden lokal verflüssigt, so daß sich die Lagerungs dichte vorsichtig schrittweise erhöht.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles, dargestellt in den Zeichnungen 1 bis 3 näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Pneumatisch-Dynamische-Sonde;

Fig. 2 Vorkopfverfahren zum für das Trägerfahrzeug standsicheren Eintrag eines Belastungsinitials;

Fig. 3 Pneumatisch-Dynamische Sonde als akustische Quelle für seismische Messungen.

Die Pneumatisch-Dynamische-Sonde besteht aus einer hohlen Sondierstange 2. Am unteren Ende 1 dieser befinden sich eine Hochdruckkammer 3, ein Magnetventil 4, ein Ventil 5, Druck aufnehmer 6, vier Öffnungen 7 und ein Spitzendruckgeber 8.

Eine durch das Ventil 5 schließbare Druckentlastungsleitung 9 führt bis in das obere Ende der Sondierstange 2. Über eine Hochdruckleitung 10 wird die Hochdruckkammer 3 von einem Hochdruckkompressor 11 versorgt, wobei diese Druckkammer 3 mit einem Druck bis zu 300 bar beaufschlagt werden kann.

Zunächst ist die Druckkammer 3 geschlossen. Durch Öffnen des Magnetventils 4 wird nun ein die Öffnungen 7 verschließender Kolben schlagartig nach oben verschoben, so daß das in der Druckkammer 3 vorhandene aus einer Flüssigkeit wie Wasser oder einem Gas wie Luft oder einer Kombination beider bestehende natürliche Fluid explosionsartig durch die Öffnungen 7 in den Boden entweicht. Arbeitsdrücke und Impulsfrequenz können schnell eingestellt und variiert werden. Um den Spitzenwiderstand zu messen, kann das untere Ende 2 der Sondier stange 2 optional mit Meßaufnehmern 8 instrumentiert werden.

Am Anfang der Untersuchung wird die Pneumatisch-Dynamische-Sonde bis zur maximalen Tiefe in den zu untersuchenden Boden eingebracht. Dabei kann der Spitzenwiderstand des Bodens gemessen werden. Dann wird die Pneumatisch-Dynamische-Sonde hinausgezogen, wobei in vorher bestimmten Tiefen, die sich z. B. aufgrund der zuvor durchgeführten Sondie rungen als sehr locker und stabilisierungsbedürftig erwiesen haben, Impulse eingetragen werden, deren Anzahl und Größe mittels empirischer Korrelation von zuvor gemessenen Sondierwiderständen und von den online aufgezeichneten bodenphysikalischen Meßgrößen bestimmt wird.

Aufgrund der Porenwasserdruckentwicklung wird der Boden lokal verflüssigt, und die Lage rungsdichte vorsichtig und schrittweise erhöht. Sollte der Porenwasserdruck lokal zu große Werte erreichen, kann durch Öffnen des Ventils 5 die Druckentlastungsleitung 9 geöffnet werden, so daß der Porenwasserdruck sich abbaut.

Aus Standsicherheitsgründen wird die Pneumatisch-Dynamische-Sonde im Vorkopfverfahren eingesetzt, d. h. sie wird von einem Trägergerät mit ausreichend langem Ausleger in den zu untersuchenden Boden eingebracht (Fig. 2).

Dabei ist ein Vorteil der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde, daß in einem Arbeitsgang sowohl die Lagerungsdichte des Bodens während des Eindringens der Sonde meßtechnisch ermittelt als auch während des Ziehens die Rutschungsanfälligkeit des Bodens aus den durch die Meß aufnehmer an der Geländeoberfläche 12 und im Bodenkörper 13 aufgezeichneten bodenphysi kalischen Meßgrößen, wie Porenwasserüberdruckverteilungen, Partikel- und Laufzeitge schwindigkeiten, Lagerungsdichte und Erddruck, und den Impulsparametern, wie Impuls stärken, und -folgen, ermittelt wird.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde ist, daß diese zudem für hochauflösende, flachseismische Reflexions- und Refraktionsmessungen eingesetzt werden kann. Der Impuls dient dann als hochfrequentes, akustisches Quellsignal 14, das in ver schiedenen Tiefen von Oberflächengeophonen 15 und Bohrlochgeophonen 16 registriert wird. Da die Impulse unter der Deckschicht 16 in den Boden eingetragen werden, ist eine bessere akustische Kopplung von Quelle und Medium gegeben. Bei der üblichen Eintragung an der Oberfläche ist die Auswertung mit größeren Übertragungsproblemen verbunden, als sie sich bei Verwendung der erfindungsgemäßen Sonde ergeben. Ein großer Vorteil bei Anwendung der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde ist außerdem, daß durch Bildung einer Suspensionsblase durch wiederholte Impulseinträge reine Kompressionswellen produziert werden können.

Bezugszeichenliste

1

unteres Ende

2

Sondierstange

3

Hochdruckkammer

4

Magnetventil

5

Ventil für Dränageleitung

6

Druckaufnehmer

7

Öffnungen

8

Spitzendruckgeber/Meßaufnehmer

9

Druckentlastungsleitung/Drainagekanal

10

Hochdruckleitung

11

Hochdruckkompressor

12

Meßaufnehmer auf Bodenkörper

13

Meßaufnehmer im Bodenkörper

14

akustisches Quellsignal

15

Oberflächengeophon

16

Bohrlochgeophon

17

Deckschicht

Claims

1. Pneumatisch-Dynamische-Sonde zur Erkundung und Beurteilung kollabiler, nichtbin diger Böden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit einer Spitze versehenden hohlen Sondierrohr (2) am unteren Ende oberhalb der Spitze eine mit einem natürlichen Fluid gefüllte zum Geben eines Hochdruckimpulses dienende Hochdruckkammer (3) mit horizontalem Fluidaustritt eingebaut ist.

2. Verfahren zur Erkundung und Beurteilung kollabiler, nichtbindiger Böden, dadurch gekennzeichnet, daß durch wiederholten Eintrag von Druckimpulsen in den Boden eine lokale Verflüssigung ohne weiträumiges Fließen zur Beurteilung der Kollapsanfälligkeit des Bodens erzeugt wird.

3. Pneumatisch-Dynamische-Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Impuls in den Boden eingetragene natürliche, keine Belastung für Boden und Umwelt darstellende Fluid aus einer Flüssigkeit wie Wasser oder einem Gas wie Luft oder einer Kombination der beiden besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerungsdichte des zu untersuchenden Bodens während des Eindringens der Pneumatisch-Dynamischen- Sonde meßtechnisch und während des Herausziehens der Pneumatisch-Dynamischen- Sonde die Rutschungsanfälligkeit des Bodens aus den bodenphysikalischen Meßgrößen und den Impulsparametern ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Spitzendruck geber (8) an der Spitze der Eindringwiderstand des Bodens nach den Druckimpulsen angezeigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Korngerüstdruck durch lokales Erhöhen des Porenwasserüberdruckes mittels Druckimpulsen verschwindet und eine örtlich begrenzte Suspensionsblase entsteht.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als bodenphysikalische Meß größen die Porenwasserüberdruckverteilungen, die Partikel- und Laufzeitgeschwindig keiten, die Lagerungsdichte und der Erddruck auf und im Bodenkörper und als Impuls parameter die Stärke und Folge dieser aufgezeichnet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Bodens zur weiträumigen Verflüssigung aus der ermittelten Lagerungsdichte und den bodenphysikalischen Meßgrößen sowie den Impulsparametern bestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine begrenzte und kontrol lierbare Verflüssigung durch während des Betriebes der Pneumatisch-Dynamischen- Sonde stufenlos erfolgenden Variierung der Impulsstärke und -frequenz stattfindet.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer zu hohen Porenwasserdruckentwicklung zur Vermeidung eines weiträumigen Fließens und kontrollierten Verringerung des Porendruckes eine in der Sonde befindliche Druck entlastungsleitung (9) geöffnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzzeitige Verflüssigung des Bodens das Durchdringen dichterer Schichten erleichtert.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden nach einer durch die Impulseintragung hervorgerufenen begrenzten und kontrollierten Verflüssigung dort ein Bereich lokaler Verdichtung entsteht.

13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Erkundungen des Bodens zur Dichteprüfung im Vorkopfverfahren von derselben Geräteposition durch den Eintrag von Impulsen stattfindet.

14. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Druckimpulse als hochfre quente akustische Signale als Druckimpulse zur Durchführung von seismischen Reflexions- und Refraktionsmessungen dienen.

15. Verfahren nach Anspruch 2 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Impulseinträge entstehende Suspensionsblase reine Kompressionswellen erzeugen kann.