DE2548604C2 - Sonde und Verfahren zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten - Google Patents
Sonde und Verfahren zum Messen der Verformbarkeit von ErdschichtenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten an Ort und
Stelle, mit einem Sondenkörper, insbesondere in Form eines Parallelepipeds, dessen vorderes Ende mit einer
Spitze versehen ist, mit einer im Sondenkörper ausgebildeten Druckkamer, mit zwei einander gegenüberliegenden,
in der Außenwand des Sondenkörpers ausgebildeten Radialöffnungen, mit zwei in ihrem Randbereich
fest mit dem Sondenkörper verbundenen Rahmen aus Metall, von denen mindestens ein Teil radial versetzbar
ist, mit Einrichtungen zum Zuführen eines Druckmittels der Druckkammer und mit elektrischen Einrichtungen,
durch welche die Radialbewegung der Membranen über elektrische Kontakte meßbar ist.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten
an Ort und Stelle durch Eintreiben einer Sonde der voranstehend genannten Art in das Erdreich, bei dem
(Verfahren) ein Druckmittel in eine Druckkammer eingeführt wird und zwei einander gegenüberliegende
Membranen gegen die Erdschicht angedrückt werden, wobei mit dem zugeführten Druckmittel zunächst der
von der Erdschicht auf die Membranen ausgeübte Druck ausgeglichen und anschließend der Druck in der
Druckkammer so weit erhöht wird, daß nunmehr von den sich zumindest teilweise radial versetzenden Membranen
Druck auf die Erdschicht ausgeübt wird, wobei eine radiale Verschiebung von zumindest Teilen der
Membranen erfolgt, deren Größe elektrisch gemessen
|j§ Die Bedeutung von Messungen, mit denen die Verp|
formbarkeit von Erdschichten so genau, wie nur irgend-M-wie
möglich, durchgeführt wird, ist allgemein bekannt feund anerkannt. Besonders bedeutsam ist be: diesen
H Messungen deren Reproduzierbarkeit Es ist daher zu ϊ| fordern, daß diese Messungen so gering wie möglich
U von den Mitteln beeinflußt sind, mit denen die Messungen
durchgeführt werden.
; Die Messung der Verformbarkeit von Erdschichten
n! wird heute vielfach mit Hilfe eines Gerätes durchge-
?·"' führt, welches als »Presso-Meter« bezeichnet wird und
, welches elastische bzw. dehnbare Strukturen aufweist, ''<■' die auf allen Seiten Druck innerhalb einer Ausnehmung
·. im Boden ausüben, in welcher das Gerät eingebracht ist Die Arbeitsweise diesf.r bekannten Einrichtungen be-
\■·; ruht auf der Ausnutzung von akustischen Wellen, wobei
£,; eine genaue Messung große Sorgfalt voraussetzt und
■r sehr viel Zeit in Anspruch nimmt Bei der Anwendung
;■; dieser Einrichtungen ist eine reproduzierbare Messung
\\ äußerst schwierig.
Bekannt sind weiterhin Eindrucktiefenmesser bzw. Penetrationsmesser, die keine akustischen Wellen ver-.
wenden. Diese Einrichtungen sind jedoch eher dazu bestimmt um den Boden aufzuspalten bzw. aufzubrechen,
als die Verformbarkeit des Bodens bzw. einer Erdschicht zu bestimmen.
Bekannt sind weiterhin Sonden zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten an Ort und Stelle (US-PS
28 24 445 und US-PS 35 72 114), die einen am vorderen
Ende mit einer Spitze versehenen Sondenkörper aufweisen, in welchem eine mit einem hydraulischen Medi-,
um aufschlagbare Druckkammer gebildet ist und welcher in seiner Außenwandung in zwei dort vorgesehenen,
einander gegenüberliegenden Radialöffnungen mit jeweils einer mit dem Sondenkörper verbundenen und
die betreffende öffnung abschließenden Membran aus Metall versehen ist Weiterhin besitzen diese bekannten
Sonden elektrische Einrichtungen in Form von Dehnungsmeßstreifen, die in Abhängigkeit von der Relativbewegung
bzw. der Verformung der Membranen bei der Beaufschlagung der Druckkammern mit dem hydraulischen
Medium ein elektrisches Signal liefern. Durch die Verwendung mehrerer Dehnungsmeßstreifen
und teilweise auch durch die Verwendung mehrerer, diese Dehnungsmeßstreifen tragender, verformbarer
Hilfselemente, die mit den Membranen zusammenwirken, weisen die bekannten Sonden einen relativ aufwendigen
Aufbau auf und sind vor allem auch hinsichtlich der konstruktiven und verfahrenstechnischen Maßnahmen,
die zum Ausgleich des Druckes zwischen der gegendrückenden Erdschicht und dem Druck in der
Druckkammer in der Sonde nach dem Einbringen der Sonde in die Erdschicht erforderlich sind, relativ aufwendig.
Nachteilig ist bei den bekannten Sonden weiterhin auch, daß der Sondenkörper im Bereich der
Membranen keine sich mit der übrigen Außenfläche des Sondenkörpers kontinuierlich fortsetzende Außenfläche
bildet, wodurch sich beim Einbringen der Sonde in den Boden bzw. in eine Erdschicht eine permanente
Verformung des Bodens ergibt, die die Messungen bzw. deren Ergebnisse negativ beeinflussen.
Beim Messen der Verformbarkeit von Erdschichten wird das Druckmittel in Form einer hydraulischen Flüssigkeit
in die Druckkammer der betreffenden Sonde eingeführt und die Membranen hierdurch gegen die
Erdschicht angedrückt. Mit dem Druckmittel wird zunächst der von der Erdschicht auf die Membranen ausgeübte
Druck ausgeglichen, und zwar bei einer teilweisen radialen Bewegung der Membranen. Anschließend
wird der Druck weiter erhöht mit der Folge einer weiteren radialen Bewegung zumindest von Teilen der Membranen
nach außen, wobei die Größe dieser weiteren Bewegung elektrisch gemessen und hieraus die Verformbarkeit
der zu messenden Erdschicht bestimmt wird.
Bekannt sind weiterhin Sonden zur Messung der Verformbarkeit von Erdschichten ähnlicher Art (DE-OS
17 58 321, DE-AS 12 98 479, DE-AS 12 12 015 und DD-PS 1 02 435), die jedoch keine elektrische Einrichtung
zur Messung der Radialbewegung der Membranen aufweisen und die daher auch kein ON-LIN Ε-Messung gestatten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zunächst eine Sonde der eingangs geschilderten Art aufzuzeigen,
die einen vereinfachten Aufbau aufweist
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Sonde der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäß so ausgebildet
daß die elektrischen Einrichtungen zum Messen der Radialbewegung der Membranen an die Innenseite der
Membranen anlegbare elektrische Kontakte umfassen, von denen die Membranen abnehmbar sind, und daß die
Radialöffnungen in der Außenwand des Sondenkörpers innenseitig mit der Druckkammer in Verbindung stehen
sowie außenseitig von den Membranen überdeckt sind, wobei der Verbindungsbereich der Membranen mit
dem Sondenkörper radial unverschieblich bezüglich der Sondcnlängsachse gehalten ist.
Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten an
Ort und Stelle durch Eintreiben einer Sonde nach der Erfindung in das Erdreich aufzuzeigen, welches (Verfahren)
sich durch eine besonders einfache elektrische Meßdurchführung auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der geschilderten Art erfindungsgemäß so ausgestaltet, daß
die Verformbarkeit der Erdschicht durch eine Radialverschiebung von Teilen der Membranen gegenüber am
Sondenkörper fest angeordneten elektrischen Kontakten gemessen und Luft als Druckmittel verwendet wird,
wobei ein Ausgleich des Druckes zwischen der gegendrückenden Erdschicht und dem Druck in der Druckkammer
der Sonde in der entsprechenden Relativstellung von Membranen und elektrischen Kontakten eine
Auslaßöffnung in einem rückseitig mit der einen Membran verbundenen und einem mit seiner Stirnseite an
der gegenüberliegenden Membran befestigten kolbenführenden Zylinder öffnet, durch die überschüssige Luft
aus der Druckkammer nach außen hin abgelassen wird.
Die erfindungsgemäße Sonde gestattet bei einfachem Aufbau eine einfache Handhabung bzw. eine einfache
Durchführung des Verfahrens zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten, wobei durch die Verwendung
von elektrischen Einrichtungen vor allem auch eine ON-LINE-Messung möglich ist. Grundsätzlich liefert
die erfindungsgemäße Sonde reproduzierbare Ergebnisse. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Sonde
besteht auch darin, daß diese leicht in die zu messende Erdschicht einbringbar ist.
Die Sonde ist vorzugsweise mit Elementen versehen, um sie mit herkömmlichen Stangen oder Rohren zum
Eindrücken bzw. Eintreiben verbinden zu können, wobei diese Stangen oder Rohre einen Querschnitt aufweisen,
der dem Querschnitt der Sonde ähnlich ist oder aber von dem Querschnitt der Sonde abweicht. Es besteht
grundsätzlich die Möglichkeit, als Mittel zum Ein-
drücken bzw. Einbringen der Sonde Elemente zu verwenden, die für diesen Zweck beispielsweise bereits bei
bekannten Sonden zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten, beispielsweise bei Penetrationsmessern
verwendet werden, wodurch die Kosten wesentlich reduziert werden können.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgerriäßen Sonde mit einem quaderförmigen Sondenkörper, und
F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie I-I der F i g. 1.
In der F i g. 1 ist der Körper 1 einer Sonde gezeigt, welcher mit einer Spitze versehen ist, um das Einführen,
Eindrücken usw. der Sonde in den Boden bzw. in das Gelände zu gestatten. Innerhalb der Sonde ist eine im
wesentlichen zylinderförmige Druckkammer 2 vorgesehen, die eine horizontale Achse aufweist und die an zwei
einander gegenüberliegenden Seiten des Sondenkörpers jeweils eine nach außen führende kreisförmige Öffnung
3 besitzt. Konzentrisch um jede kreisförmige Öffnung 3 ist ein ringförmiger Schlitz 4 vorgesehen, in welchem
jeweils wenigstens ein Befestigungsflansch untergebracht werden kann, wie dies weiter unten noch beschrieben
wird.
Die Oberfläche 5 des Sondenkörpers, die zwischen der jeweiligen kreisförmigen öffnung 3 und dem Schlitz
4 liegt, ist gegenüber der Oberfläche 6 des Sondenkörpers etwa um die Dicke einer Membran 7 leicht versetzt.
Die Membranen 7 sind jeweils kappen- oder becherförmig ausgebildet, bestehen aus Metall und werden an
Dichtungen 9 angedrückt, die sich am Boden der ringförmigen Schlitze 4 befinden. Die Membranen 7 werden
dort durch Schrauben und Metallflansche 8 festgehalten. die in den Schlitzen 4 im Bereich der offenen
Schlitzseite untergebracht sind. Diese Ausbildung stellt sicher, daß die Membranen 7 kein Hindernis beim Einbringen
der Sonde in den Boden bzw. in das Gelände darstellen.
In den Öffnungen 3 in dem Gehäuse bzw. in dem Sondenkörper, der bzw. die speziell für diesen Zweck
hergestellt ist bzw. sind, ist jeweils eine Scheibe 10 aus isolierendem Material angeordnet, wobei diese Scheiben
eine innere Fläche zum Abstützen und zum Schutz der Membranen bilden und gleichzeitig eine Entladeventilanordnung
tragen und an Ort und Stelle halten.
Die Öffnungen 3 sind im wesentlichen mit einem kleinen Zylinder ti ausgestattet, welcher an einem Ende
geschlossen ist und mit einer Eintrittsöffnung 12 sowie mit einer Austrittsdüse 13 für Luft versehen ist. Innerhalb
des Zylinders 11 ist ein kleiner Kolben !5 angeordnet,
der sich frei, jedoch abdichtend innerhalb des Zylinders 11 verschieben kann und der eine gewundene
Druckfeder 16 zusammendrückt, die zwischen dem inneren Ende des Kolbens 15 sowie des geschlossenen
Endes des Zylinders 11 angeordnet ist. Das andere Ende
des Kolbens 15 sowie die Außenfläche des geschlossenen Endes des Zylinders 11 reichen durch zentrale Radialbohrungen
der Scheiben 10 hindurch und liegen gegen die Innenflächen der Membranen 7 an.
Durch die Scheiben 10 aus isolierendem Material reichen zwei stiftförmige Kontakte χ und y hindurch, die
einen elektrischen Kontakt mit den Membranen 7 herstellen. Die beiden Kontakte sind über dünne elektrisehe
Verbindungsdrähte bzw. Kabel mit einer zentralen Schalt- bzw. Bedienungseinrichtung verbunden, die außerhalb
angeordnet ist Die Auslaßdüse 13 ist über ein dünnes Rohr 17 aus Metall oder Plastik mit der Außen
seite bzw. der Umgebung verbunden, während über ei ne Leitung 18 Druckluft in die Druckkammer 2 züge
führt werden kann.
Stangen bzw. Rohre zum Vortrieb bzw. zum Eindrük ken der Sonde, die auch für andere Sondentypen allge
mein verwendet werden, können an der Oberseite dei beschriebenen Sonde befestigt werden, wenn diese die
Oberfläche des Geländes durchdringt bzw. in den Boder des Geländes eingedrückt bzw. -getrieben wird.
Diese Stangen bzw. Rohre sind in ihrem Inneren se ausgestaltet, daß sie Leitungen zum Zu- und Abführer
der Luft sowie elektrische Kabel für die elektrischer Kontakte aufnehmen können, wobei diese Leitunger
mit üblichen Mitteln mit der Leitung 18 bzw. dem Rohi 17 und die elektrischen Kabel mit den Kontakten χ unc
/verbunden werden können.
Die Steuer- bzw. Bedienungseinrichtung wird an dei Oberfläche des Geländes angeordnet und besitzt eine
Druckquelle, die durch Zwischenschaltung beispielsweise eines Stiftventils das Zuführen von Luft oder Gas
gestattet, wobei der Druck dieser Luft bzw. dieses Gases mit Hilfe eines Manometers kontrolliert wird. Dieses
nicht näher dargestellte Manometer ist ebenfalls in der Bedienungs- bzw. Steuereinrichtung angeordnet und
über eine Druckleitung mit dem Steuerkabel verbunden. Die Steuer- bzw. Bedienungseinrichtung besitzt
weiterhin eine Batterie bzw. eine elektrische Spannungs- oder Stromquelle, die zwei Anzeigeeinrichtungen,
vorzugsweise zwei Leuchtanzeigen betätigt, wenn die beiden elektrischen Verbindungsleitungen des Steuerkabels
einen Kurzschluß mit dem Block bzw. dem Material in der Nähe der Spitze bilden.
Im folgenden wird die Wirkungsweise der Einrichtung beschrieben. Nachdem die Spitze der Sonde in den
Boden bis zur angestrebten Tiefe eingedrückt wurde, wird Druckluft allmählich über die Leitung 18 in die
Druckkammer 2 eingeführt. Diese Druckluft wirkt auf die Membranen 7 ein, und in kurzer Zeit wird ein Gegendruck
des Geländes in umgekehrter Richtung auf die Membranen 7 einwirken. Sobald das Eindrücken bzw.
der Druck des Geländes ausgeglichen ist, wird eine geringfügige Erhöhung des Innendruckes dazu führen, daß
die Membranen 7 sich nach außen bewegen. Sobald dies eintritt, heben sich die Membranen von den stiftförmigen
Kontakten χ und y ab und unterbrechen den elektrischen Stromkreis, wodurch in der zentralen Bedienungs-
bzw. Steuereinrichtung der Beginn der Membranbewegung angezeigt wird.
Durch Ablesen des Druckwertes ρ 1 am Manometer in diesem Augenblick ist der Druck, der im Gelände vor
dem Bewegen der Membranen erzeugt wurde, bekannt
Beim weiteren Zuführen von Druckluft bzw. Druckgas werden die Membranen ausgelenkt bzw. nach außen
gedruckt und die Feder 16 im Zylinder 11 drückt den kleinen Kolben 15 zur Seite, der dann der in Fig.2
gezeigten linken Membran folgt während der kleine Zylinder 11 der Bewegung der rechten Membran folgt
Wird die Zufuhr von Luft weiter aufrechterhalten, so
bewegen sich die beiden Membranen 7 soweit auseinander, daß die Innenseite bzw. das innere Ende des Kolbens
15 die Auslaßöffnung bzw. Düse 13 freigibt In diesem Augenblick entsteht ein Gleichgewichtszustand
zwischen dem inneren und dem äußeren Druck, welch letzterer durch den Widerstand des Geländes hervorgerufen
wird, wobei die Überschüssige zugeführte Luft durch die Auslaßdüse 13 entweicht Dieser Zustand wird
in der zentralen Bedienungs- bzw. Steuereinrichtung
7
durch das dort vorgesehene Manometer durch einen konstanten Druckwert ρ 2 innerhalb der Druckkammer
2 angezeigt.
Aus der Differenz der Druckwerte ρ 1 und ρ 2 sowie
aus dem Abstand zwischen den Membranen läßt sich 5 nun der Wert des Moduls für die Verformbarkeit des
Geländes entsprechend der Theorie von Platten, die sich auf einem elastischen Untergrund abstützen, berechnen.
Es ist selbstverständlich, daß das System der Druckentlastung bzw. des Druckausgleichs sowie der Auslen- 10
kung auch auf andere Weise realisiert werden kann. Es ist auch möglich, die Druckentlastung bzw. den Druckausgleich
kontinuierlich bzw. fortlaufend auszuführen, j
wobei die Druck-Auslenkungskurven einen Auslen- |
kungsumsetzer für das pneumatische System und die 15 elektrischen Kontakte ersetzen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Claims (8)
1. Sonde zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten an Ort und Stelle, mit einem Sondenkörper,
insbesondere in Form eines Parallelepipeds, dessen vorderes Ende mit einer Spitze versehen isi,
mit einer im Sondenkörper ausgebildeten Druckkammer, mit zwei einander gegenüberliegenden, in
der Außenwand des Sondenkörpers ausgebildeten Radialöffnungen, mit zwei in ihrem Randbereich fest
mit dem Sondenkörper verbundenen Membranen aus Metall, von denen zumindest ein Teil radial versetzbar
ist, mit Einrichtungen zum Zuführen eines Druckmittels zur Druckkammer und mit elektrischen
Einrichtungen, durch welche die Radialbewegung der Membranen über elektrische Kontakte
meßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Einrichtungen zum Messen der Radialbewegung der Membranen (7) an die Innenseite
der Membranen anlegbare elektrische Kontakte (x, y) umfassen, von denen die Membranen (7) abhebbar
sind, und daß die Radialöffnungen (3) in der Außenwand des Sondenkörpers (1) innenseitig mit der
Druckkammer (2) in Verbindung stehen sowie außenseitig von den Membranen (7) überdeckt sind,
wobei der Verbindungsbereich (4) der Membranen (7) mit dem Sondenkörper (1) radial unverschieblich
bezüglich der Sondenlängsachse gehalten ist
2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (7) becher- oder kappenförmig
ausgebildet und mit ihrem Rand durch ein System von metallischen Druckflanschen (8) am Körper
(1) befestigt sind.
3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmigen Radialöffnungen (3)
im Körper (1) mit Scheiben (10) aus isolierendem Material versehen sind, gegen die die jeweilige Innenfläche
der Membranen (7) anliegt.
4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, unter Verwendung von Druckluft als Druckmittel, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Auslaßventilanordnung innerhalb der Druckkammer (2) angeordnet ist,
die aus einem an einem Ende geschlossenen Zylinder, der eine Einlaßöffnung (12) sowie eine Auslaßöffnung
(13) aufweist, aus einem Kolben (15), der frei, jedoch dicht abschließend im Zylinder (11) verschieblich
ist, sowie aus einer Vorspann-Einrichtung (16) besteht, die zwischen dem rückwärtigen Ende
des Kolbens (15) und dem geschlossenen Ende des Zylinders (11) angeordnet ist.
5. Sonde nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte (x, y) von
mehreren stiftförmigen Elementen gebildet sind, die an der inneren Fläche der Scheiben (10) aus isolierendem
Material befestigt und durch die Scheiben hindurchgeführt sind sowie an der rückwärtigen Seite
der Membranen (7) anliegen, wobei bei dem Ausdehnen bzw. Auslenken der Membranen (7) ein elektrisches
Signal aufgrund der dadurch hervorgerufenen Unterbrechung des Kontakts erzeugbar ist.
6. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Auslenkung
der Membranen (7) um einen vorgegebenen Wert die Registrierung eines elektrischen Signales aufgrund
eines Druckausgleichs im Inneren der Druckkammer (2) auslösbar ist.
7. Verfahren zum Messen der Verformoarkeit von
Erdschichten an Ort und Stelle durch Eintreiben einer Sonde nach den Ansprüchen 1 bis 6 in das Erdreich,
bei dem ein Druckmittel in eine Druckkammer eingeführt wird und zwei einander gegenüberliegende
Membranen gegen die Erdschicht angedrückt werden, wobei mit dem zugeführten Druckmittel zunächst
der von der Erdschicht auf die Membranen ausgeübte Druck ausgeglichen und anschließend der
Druck in der Druckkammer so weit erhöht wird, daß nunmehr von den sich zumindest teilweise radial
versetzenden Membranen Druck auf die Erdschicht ausgeübt wird, wodurch eine radiale Verschiebung
von zumindest Teilen der Membranen erfolgt, deren Größe elektrisch gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verformbarkeit der Erdschicht durch eine Radialverschiebung von Teilen der Membranen
gegenüber am Sondenkörper fest angeordneten elektrischen Kontakten gemessen und Luft als
Druckmittel verwendet wird, wobei ein Ausgleich des Druckes zwischen der gegendrückenden Erdschicht
und dem Druck in der Druckkammer der Sonde in der entsprechenden Relativstellung von
Membranen und elektrischen Kontakten eine Auslaßöffnung in einem rückseitig mit der einen Membran
verbundenen und einen mit seiner Stirnseite an der gegenüberliegenden Membran befestigten Kolben
führenden Zylinders öffnet, durch die überschüssige Luft aus der Druckkammer nach außen hin abgelassen
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Beginn der Auslenkung der
Membranen (7) das Abheben der Membranen (7) von den elektrischen Kontaktelementen (x, y) eingeleitet
und dadurch ein elektrischer Stromkreis unterbrachen und ein elektrisches Signal erzeugt wird.
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