DE2416647C3

DE2416647C3 - Meßvorrichtung zur getrennten Erfassung des Spitzendrucks und der Mantelreibung im Boden

Info

Publication number: DE2416647C3
Application number: DE2416647A
Authority: DE
Inventors: Harald 2000 Hamburg Beck; Rochus B. Dipl.-Ing. 1000 Berlin Elmiger
Original assignee: H MAIHAK AG 2000 HAMBURG
Current assignee: H MAIHAK AG 2000 HAMBURG
Priority date: 1974-04-05
Filing date: 1974-04-05
Publication date: 1979-02-08
Also published as: DE2416647A1; IT1033366B; US3988923A; SE7503903L; DE2416647B2; NL7500792A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Zur Bestimmung der Eigenschaft von Bodenschichten im tieferen Untergrund haben sich Sondierungsverfahren bewährt. Der Bodenmechaniker kann aus der Kraft, die der Boden dem Meßwertaufnehmer beim Eindrükken als Widerstand entgegensetzt, Schlüsse auf die durchfahrenen Bodenarten und die Lagerungsdichte bzw. Konsistenz der Schichten ziehen. Die auf den Meßwertaufnehmer der Vorrichtung wirkende Gesamtkraft setzt sich aus der lotrechten Kraft auf die Spitze des Meßwertaufnehmers und aus der Mantelreibungskraft, die auf einem eindeutig definierten Teil der Oberfläche des Meßwertaufnehmers angreift, zusammen. Aus der gleichzeitigen Kenntnis, von örtlichem Spitzendruck und örtlicher Mantelreibung läßt sich ζ. Β. ein Schichtwechsel zwischen bindigen und nicht bindigen Böden erkennen.

Meßvorrichtungen zur Messung des Spitzendrucks sind bekannt

Bekannte Meßvorrichtung zur Messung des Spitzendrucks enthalten z. B. einen dünnwandigen Zylindermantel, dessen elastische Stauchung als Maß für die auf die Spitze einwirkende Kraft dient Zur Messung dieser Stauchung wird ein in dem Meßwertaufnehmer angebrachter Meßkörper benutzt, der ein elektrisches Ausgangssignal liefert, das über ein im Inneren des Gestänges verlegtes Kabel einem Empfansgerät zugeführt wird (vgl. »Die Bautechnik«, 38. Jg_n Seiten 29 bis 34 und 54bis 60(1961)).

Es sind auch andere Meßvorrichtungen bekannt, die die zum Eindrücken der Meßvorrichtung erforderliche Gesamtkraft messen. Aus Gesamtkraft und Spitzendruck ergibt sich dann durch Differenzbildung die Mantelreibung für die gesamte Meßvorrichtung, die aus Meßwertaufnehmer und Gestänge besteht (vgl. »Die Bautechnik«, 38, Jg, Seiten 29 bis 34 und 54 bis 60 (1961)).

Die.se Art der Bestimmung des Spitzendrucks und der Mantelreibung hat eine Reihe von Nachteilen. Sie ist umständlich, da die Mantelreibung nicht direkt, sondern als Differenz zweier Größen bestimmt wird, und daher auch mit einem größeren Fehler behaftet. Der Meßkörper für den Spitzendruck befindet sich innerhalb der Spitze der Meßvorrichtung, während die Mantelreibung am Gestängekopf ermittelt wird, und folglich die Reibung des Gesamtgestänges ebenfalls in die Messung eingeht.

Aus der DE-OS 17 58 725 ist zwar ein Gerät zur Bestimmung von Deformationseigenschaften des Gesteins bzw. Bodens im Bereich von Bohrlöchern bekannt; jedoch eignet sich dieses Gerät ausschließlich für die Messung solcher Kräfte, die zu einer radialen Verformung des Bohrlochs führen. Zu diesem Zweck ist bei diesem bekannten Gerät eine besondere Spreizeinrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe die Kraftaufnahmebereiche des Geräts gegen die Bohrlochwandung zur Anlage gebracht werden können. Vom eigentlichen im Inneren des Geräts liegenden Meßelement führen elektrische Leitungen zu außerhalb des Geräts vorgesehenen Anzeigeeinrichtungen. Dieses vorbekannte Gerät ist in keiner Weise zur Messung von Spitzendrücken geeignet.

Auch aus der US-PS 36 43 498 ist ein für Bodensondierungsverfahren bestimmtes Meßgerät bekannt, das entweder in vorgearbeitete Bohrlöcher eingeführt wird oder bei weichem Boden direkt ohne Vorbohrung in diesen eingeführt wird, wobei sich dann das Bohrloch selbsttätig bildet. Dieses bekannte Gerät dient wieder-

um lediglich ausschließlich der Messung der auf den Außenmantel der eigentlichen Meßsonde einwirkenden Kräfte und eignet sich nicht zur Messung von Spitzendrücken, weder unabhängig von oder zusammen mit der Messung der genannten Kräfte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, daß die Messung des Spitzendrucks und der Mantelreibung ohne irgendeine Differenzbildung zweier Größen, also je auf direktem Weg und

unabhängig von der Messung der anderen Größe, möglich sind.

Hierzu muß die Meßvorrichtung eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Die Meßelemente für den

Spitzendruck und die Mantelreibung müssen möglichst weit von der Mantelfläche des Meßwertaufnehmers der Vorrichtung weg — also im Inneren des Meßwertaufnehmers — angeordnet werden; denn die bei Mantelreibung und Abrieb entstehenden großen Temperaturgradienten an der Außenfläche des Mebwertaufnehmers dürfen die Messung nur möglichst wenig beeinflussen. Daher ist jede in konstruktiver Hinsicht einfachere Messung der Dehnung direkt an der Mantelfläche ungünstig.

Um die Meßergebnisse für die Mantelreibung entsprechend den experimentellen Gegebenheiten im Boden interpretieren zu können, muß die Mantelreibung zwischen Meßwertaufnehmer und Bodenteilchen in ortsfester Lage gemessen werden. Dies macht die Messung dieser Größe in einer gewissen, möglichst kleinen Entfernung hinter dem Spitzenkegel der Meßvorrichtung erforderlich, wo die durch das Eindrükken des Meßwertaufnehmers ausgelösten Fließvorgänge um die Spitze des Meßwertaufnehmers im wesentlichen abgeschlossen sind und die Bodenteilchen sich in einer neuen, stabilen Struktur angeordnet haben.

Weiterhin haben viele Böden die Eigenschaft, daß die durch die Verdrängung erzeugte öffnung im Boden standfest ist, so daß von einem Meßwertaufnehmer mit über seiner Länge konstantem Durchmesser nur kleine und unmaßgebliche Mantelreibungswerte angezeigt werden. Für eine Erhöhung des Meßwertes der Mantelreibung ist durch einen geeigneten konstruktiven Aufbau des Meßwertaufnehmers der MeßvorrichUing zu sorgen, ohne daß dadurch neue Strukturänderungeii beim Eindrücken oder Ziehen der Meßvorrichtung in dem bzw. aus dem Boden ausgelöst werden.

Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen wird die genannte Aufgabe durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die besonderen Vorteile und die Funktionsweise dieser erfindungsgemäß ausgebildeten Meßvorrichtung sind aus der weiter unten folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im einzelnen zu ersehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind aus den Unteransprüchen zu ersehen.

Im folgenden wird ein in den Zeichnungen dargestelltes besonderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ins einzelne gehend beschrieben; in den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Schnitt in der Längsachse durch eine Meßvorrichtung und

Fig.2 eine auseinandergezogene perspektivische Teilansicht einer Einzelheit.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei Hauptbestandteilen, nämlich dem Meßwertaufnehmerteil und einem Gestänge zum Eindrücken desselben in den Boden. Der Meßwertaufnehmertetl besteht dabei seinerseits aus einem Meßwertaufnehmer bzw. Meßelement 2 für den Eindringungswiderstand gegen die Spitze 1 des Meßwertaufnehmerteils und dem Meßwertaufnehmer bzw. Meßwertelement 11 für den Reibungswiderstand an der Mantelreibungshülse 10 des Meßwertaufnehmerteils. Durch die besondere konstruktive Gestaltung des Meßwertaufnehmerteils wird erreicht, daß die beiden Größen Spitzendruck und Mantelreibung unabhängig voneinander gemessen werden können.

Der im folgenden kurz Meßwertaufnehmer benannte Meßwertaufhehmertei] wird über ein nicht dargestelltes Gestänge in den Boden eingedrückt Dabei wird die Kraft ohne irgendwelche gegeneinander gleitenden Teile durch das Innere des Meßwertaufnehmers über ein Kopfstück 9, ein Kraftübertragungsrohr 8, ein Zwischenstück 7 und das Druckmeßelement 2 bekannter Bauart auf die Spitze 1 übertragen. Das Meßelement 2 kann z. B. mit Dehnungsmeßstreifen oder Schwingsaiten-Meßwertgebern ausgerüstet sein. Durch die Wirkung des Bodens gegen die Spitze 1 wird das Meßelement 2 gestaucht und liefert über geeignete, bekannte Vorrichtungen ein der Größe des Spitzendrucks äquivalentes Ausgangssignal.

Die Mantelreibung wird an der Mantelreibungshülse 10 mit aus konstruktiven und meßtechnischen Gründen bedingter definierter Länge und mit durch eine Schutzhülse 3 und ein Zwischenstück 7 definiertem Abstand zum Spitzenkegel 1 gemessen, wobei auf das Meßelement 11 für die Mantelreibung nur die Größe der Mantelreibung und kein Anteil des Spitzendrucks einwirken darf. Dies wird dadurch erreicht, daß keine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Basisfläche der Spitze 1 und der Mantelreibungshülse 10 existiert.

Die letztere, die in einer bestimmten Enrfernung hinter dem Spitzenkegel 1 beginnt und einen etwas größeren Durchmesser hat als die übrigen Mantelteile des Meßwertaufnehmers (z. B. 0,3 mm größer), ist kraftschlüssig von der restlichen Mantelfläche gelrennt. Dies

JO wird durch die Anordnung von zwei Krafttrennscheiben 12a, 126 an den Enden der Mantelhülse 10 bewirkt. Diese Scheiben 12a, 126 besitzen parallel zu ihrem Umfang zwei nahezu halbkreisförmige Aussparungen 15, die durch zwei gegenüberliegende Stege 16 voneinander getrennt sind und deren Breite der Dicke des Kraftübertragungsrohrs 8 entspricht. Beim Sondieren schiebt sich die Mantelreibungshülse 10 gegen die Krafttrennscheibe 12b und zieht über das mit den beiden Scheiben 12a, 126 fest verschraubte Meßelement 11 die mit entsprechenden Aussparungen versehene Scheibe 12a gegen eine Anlagefläche 14 des an seinen Enden geschlitzten Kraftübertragungsrohrs 8 (Fig.2). Entsprechend der Mantelreibung wird das Meßelement U, das z. B. mit Dehnungsmeßstreifen oder Schwingsaiten-Meßwertgebern versehen sein kann, gedehnt und liefert ein dem Wert der Mantelreibung äquivalentes Ausgangssignal. Zwischen der Scheibe 126 und dem Kopfstück 9 ist 7u diesem Zweck genügend Spiel vorgesehen (z. B. 0,5 mm). Die Kraftübertragungslinien

so sind in F i g. 1 eingezeichnet.

Beim Ziehen der Meßvorrichtung schiebt sich die Mantelreibungshülse 10 gegen die Krafttrennscheibe 12a und zieht über das Meßelement 11 die Krafttrennscheibe 126 gegen die entsprechende Auflagefläche 14 des Kraftübertrügungsrohres 8. Die Mantelreibung führt somit sowohl beim Eindrücken als auch beim Ziehen der Meßvorrichtung zu einer Dehnung des Meßelementes 11, das in beiden Fällen ein Ausgangssignal gleichen Vorzeichens liefert.

Durch Dichtungen 13 ist der Meßwertaufnehmer druckdicht und gegen das Eindringen von Bodenpartikeln geschützt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßvorrichtung zur getrennten Erfassung des Spitzendrucks und der Mantelreibung im Boden, bestehend aus einem Meßwertaufnehmer und einem Gestänge zum Eindrücken des Meßwertaufnehmers in den Boden, wobei die Meßwerte durch elektrische Übertragungsleitungen aus dem Meßwertaufnehmer übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) für den Spitzendruck und das Meßelement (11) für die Mantelreibung innerhalb des Meßwertaufnehmers angebracht sind und dieser mit getrennten Übertragungsleitungen für die Meßelemente ausgerüstet ist

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mantelreibungshülse (10) hinter dem Meßelement (2) für den Spitzendruck vorhanden isL

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelreibungshülse (10) um ein Kraftübertragungsrohr (8) für den Spitzendruck angeordnet ist und daß das Meßelement (11) für die Mantelreibung innerhalb dieses Kraftübertragungsrohrs (8) angeordnet ist

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelreibungshülse (10) einen größeren Durchmesser als die übrigen untereinander im Durchmesser gleich großen Teile (1, 3, 7, 12a, 12Z), 9) der Mantelfläche des Meßwertaufnehmers besitzt.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragung für den Spitzendruck (9,8,7,2,1) von der Kraftübertragung für die Mantelreibung (10, ill) durch zwei Krafttrennscheiben (12a, 12b) getrennt ist, die parallel zu ihrem Umfang zwei nahezu halbkreisförmige Aussparungen (15) besitzen, die durch zwei gegenüberliegende Stege (16) getrennt sind und deren Breite der Dicke des Kraftübertragungsrohrs (8) entspricht

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungsrohr (8) zwei auf seinem Umfang gegenüberliegende Schlitze besitzt, deren Breite der Breite der Stege (16) der Krafttrennscheiben (12a, i2b) entspricht und die durch Auflageflächen (14) begrenzt sind.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer druckdicht und gegen das Eindringen von Bodenpartikeln geschützt ist.