-
Die Erfindung betrifft ein Bodenuntersuchungsgerät zur Be-
-
stimmung von Bearbeitungsparametern an Proben von Böden, die dynamisch
verdichtet werden sollen, mit einem Stahltopf zur Aufnahme einer Probe des zu untersuchenden
Bodens, unterschiedlichen Fallmassen und Meßeinrichtungen wie einen an der Fallmasse
angeordneten Beschleunigungsaufnehmer, einen über eine Wassersäule mit der Probe
in Verbindung stehenden Druckaufnehmer zur Messung des Porenwasserdrucks und wenigstens
einer Wegmeßuhr zur Messung des Setzungsverlaufs der Probe, wobei die elektrischen
Meßwertgeber über Verstärker an Aufzeichnungsgeräte angeschlossen sind.
-
Zur Erhöhung der Tragfähigkeit von wenig tragfähigen Böden wird seit
einigen Jahren ein unter der Bezeichnung "dynamische Intensivverdichtung" bekanntes
Verfahren angewandt. Nach diesem Verfahren können sowohl bindige als auch nichtbindige
Böden verdichtet werden. Bewirkt wird die Verdichtung durch Lastimpulse, die durch
im freien Fall auf den Untergrund aufschlagende Fallmassen erzeugt werden. Die auf
Baustellen beobachtete Wirkungsweise vor allem bei feinkörnigen, wenig wasserdurchlässigen
Böden war überraschend. Zur Untersuchung des Verhaltens dieser Böden in bezug auf
die Ausbildung des Porenwasserdrucks im Labor wurde ein spezielles Untersuchungsgerät
in der eingangs beschriebenen Art benutzt. Mit diesem Gerät wurde der Porenwasserdruck
in Proben von Böden, die einer dynamischen Verdichtung unterzogen werden sollten,
gemessen. Überdies wurde die Beschleunigung einer Fallmasse während des Aufpralls
mit einem Beschleunigungsaufnehmer gemessen, um Korrelationen zu den aufgebrachten
Impulsen herzustellen. Der Aufbau dieses Untersuchungsgerätes sowie seine Verwendung
sind in der Dissertation Gödecke "Die dynamische Intensivverdichtung wenig wasserdurchlässiger
feinkörniger Böden" beschrieben.
-
Die weiteren Untersuchungen zu diesem Verdichtungsverfah-
ren,
vor allem bei nichtbindigen Böden, zielen auf eine Optimierung der Anwendung durch
Vorausbestimmung der geeigneten Bearbeitungsparameter wie Fallmasse, Fallhöhe, Grundfläche
der Fallmasse, Anzahl der Schläge und Abstand der Verdichtungspunkte. Die Beantwortung
dieser Fragestellung erfordert eine umfassende Kenntnis der dynamischen totalen
Horizontal- und Vertikalspannungen sowie des Porenwasserdrucks in der-Bodenprobe.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Bodenuntersuchungsgerät
zu entwickeln, welches zur Messung der vorgenannten Einflußgrößen geeignet ist.-Ausgehend
von einem Bodenuntersuchungsgerät in der eingangs beschriebenen Art wird die gestellte
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in je einer-Ausnehmung im Boden und
in der Wandung des Stahltopfes jeweils ein Druckaufnehmer zur direkten Messung der
vertikalen und horizontalen Spannungen der Bodenprobe druckfest eingesetzt ist,
daß der Druckaufnehmer zur Messung des Porenwasserdrucks über ein kurzes Verbindungsrohr
nahe am Stahltopf angebracht ist und daß der Beschleunigungsaufnehmer sowie die
drei Druckaufnehmer über elektrisch getrennte Kanäle an ein gemeinsames Aufzeichnungsgerät
angeschlossen sind.
-
Es ist vorteilhaft, Druckaufnehmer zu verwenden, die nach dem Dehnungs-Meßstreifenprinzip
arbeiten und mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse ausgestattet sind.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß die Ausnehmungen im Stahltopf kreisrund sind und jeweils von einem nach außen
ragenden, am Topf starr befestigten zylindrischen Stutzen umgeben sind, daß in den
Stutzen jeweils ein Druckaufnehmer sitzt und mittels eines in ein Innengewinde desselben
eingreifenden Schraubringes gegen den Boden bzw. die Wandung verspannt ist, wobei
die Druckaufnehmer mit einem vorderen zylin-
drischen Ansatz mit
kleinerem Durchmesser als der anschließende Teil in die Ausnehmungen formschlüssig
eingesetzt sind.
-
Mit Hilfe eines solchen Untersuchungsgerätes ist es möglich, totale
Horizontal- und Vertikalspannungen, den Porenwasserdruck und die Oberflächenspannung
über die Beschleunigung dynamisch zu messen. Die elektrischen Signale der Meßwertaufnehmer
werden nach entsprechender Verstärkung auf einem gemeinsamen Aufzeichnungsgerät
festgehalten. Durch Vergleich der gemessenen Bodenspannungen mit der aus der Beschleunigung
errechneten Spannung an der Probenoberfläche läßt sich die Spannungsausbreitung
im Boden als wichtigste Einflußgröße auf die Dimensionierung leicht ermitteln. Aus
den im Laborversuch verwendeten Bearbeitungsparametern und den gemessenen dynamischen
Spannungen werden dann die vorgenannten geeigneten Bearbeitungsparameter für die
praktische Verdichtungsaufgabe bestimmt. Die "dynamische Intensivverdichtungt' ist
somit unter Zuhilfenahme eines nach der Erfindung ausgebildeten Bodenuntersuchungsgeräts
dimensionierbar geworden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend an einem in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel
dargestellten Bodenuntersuchungsgerät näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen
Axialschnitt des Untersuchungsgerätes in der Kondolisierungsphase, in der die Wegmeßuhr
eingesetzt ist, Figur 2 einen weiteren Axialschnitt des Untersuchungsgerätes in
der Bearbeitungsphase, in der Fallmassen zur Anwendung kommen, und Figur 3 einen
Schaltplan der elektrischen Meßkette zur Auswertung der aufgenommenen Meßsignale.
-
Bei dem Untersuchungsgerät bilden ein Topfzylinder 1 aus Stahl und
eine Bodenplatte 2 aus Stahl mit einer der Grundfläche des Topfzylinders 1 angepaßten
Vertiefung einen oben offenen Topf. Die Bodenplatte 2 steht mit einer hohlzylindrischen
Stützkonstruktion 3 auf einem Fundament 4 auf. Der Topfzylinder 1 ist mittels achsparalleler
Gewindebolzen 5 gegen die Bodenplatte 2 verspannt. Diese Gewindebolzen sind im oberen
Bereich in Bohrungen von fest am Topfzylinder I.angebrachten Spannringen 6 geführt
und an ihrem unteren Ende in Gewindebohrungen der Bodenplatte 2 eingeschraubt. Die
gewünschte Verspannung und Arretierung wird durch Feststellmuttern 7 bewirkt.
-
In der Bodenplatte 2 und in der Wandung des Topf zylinders 1 befinden
sich Bohrungen 8, 9, die außen jeweils von einem an der Bodenplatte bzw. an der
Wandung Starr befestigten zylindrischen Stutzen 10, 11, deren Innendurchmesser größer
ist als der Durchmesser der Bohrungen 8, 9 konzentrisch umgeben sind. In die Bohrungen
8, 9 istjeein zylindrischer Druckaufnehmer 12, 13 eingesetzt, wobei jeweils ein
vorderer zylindrischer Ansatz mit kleinerem Durchmesser als der anschließende Teil
die entsprechende Ausnehmung 8 bzw. 9 formschlüssig ausfüllt. Ein zwischen Druckaufnehmer
und Boden bzw. Wandung eingespannter O-Ring aus elastischem Werkstoff dient zum
flüssigkeitsdichten Abschluß.
-
Die Stutzen 10, 11 sind mit einem Innengewinde ausgestattet, und in
dieses Innengewinde ist jeweils ein Schraubring 14, 15 mit einem entsprechenden
Außengewinde eingeschraubt, der zur Verspannung des Druckaufnehmers 12 bzw.
-
13 gegen die Bodenplatte 2 bzw. die Wandung 1 dient. Die Druckaufnehmer
arbeiten nach dem Dehnungs-Meßstreifenprinzip; ihre Anschlußleitungen sind durch
die Schraubringe 14, 15 nach außen geführt.
-
In eine weitere Bohrung 16 in der Wandung des Topfzylinders 1 ist
ein kurzes Verbindungsrohr 17 druckdicht eingesetzt, welches an seinem rückwärtigen
Ende ein Anschlußstück 18 mit einer Überwurfmutter 19 aufweist, mittels der ein
weiterer Druckaufnehmer 20 am Anschlußstück derart arretierbar ist, daß der Druck
einer zur Bodenprobe führenden Flüssigkeitssäule meßbar ist. Im Rohr 17 ist zwischen
der Bodenprobe und der Flüssigkeitssäule ein Filterstein 39 angeordnet.
-
Die offene Seite des Topfzylinders 1 ist durch einen Dekkel 21 luftdicht
verschließbar. Zur festen Verspannung des Deckels 21 mit dem Topfzylinder 1 dient
ein Querriegel 22, der an seinen Enden Bohrungen zur Aufnahme von Schraubenbolzen
23 aufweist, die in Gewindehülsen 24 einschraubbar sind, die ihrerseits auf die
überstehenden Enden der Gewindestangen 5 aufgeschraubt sind. Im Querriegel 22 und
im Deckel 21 befinden sich fluchtende Bohrungen, in die das Schutzrohr 25 des Tasters
26 einer Wegmeßuhr 27 eingesetzt ist. Wie aus den Darstellungen der Fig. 1 und 2
hervorgeht, ist der Topf zylinder 1 mit der zu untersuchenden Bodenprobe 37 angefüllt.
Oberhalb der Bodenprobe ist eine Ausgleichsschicht 38 aufgeschüttet, was nur bei
einem bindigen Boden erforderlich ist. Die Wegmeßuhr 27 wird nach dem Schließen
des Deckels 21 in ihrer Höhenlage so ausgerichtet, daß der Taster 26 mit seinem
Stirnende bis zur Oberfläche der Ausgleichsschicht 38 reicht.
-
Während der Versuchsphase, in der die Fallmasse 28 zur Anwendung kommt,
ist der Deckel 21 des Topfes abgenommen (vgl. Fig. 2). An der Fallmasse ist ein
Beschleunigungsaufnehmer 29 angebracht, mit dem die Beschleunigung, die die Fallmasse
28 beim Aufschlag erfährt, gemessen wird.
-
Der Beschleunigungsaufnehmer enthält ein piezoelektrisches Element,
welches bei einer Bewegungsänderung in Ab-
hängigkeit der daraus
resultierenden mechanischen Beanspruchung seiner trägen Masse eine elektrische Ladung
liefert, die in einem Ladungsverstärker 30 in eine Meßspannung umgewandelt wird.
Diese wird in einem nachgeschalteten Meßverstärker 31 in einen Meßstrom umgesetzt,
der den Spulenschwinger eines W-Mehrfachschreibers 32 auslenken kann.
-
Der W-Mehrfachschreiber 32 dient zugleich zur Aufzeichnung der Signale
der Druckaufnehmer 12, 13 und 20, die nach dem Dehnungs-Meßstreifenprinzip arbeiten.
Sie werden mit einer konstanten Gleichspannung von 5 V gespeist.
-
Das von ihnen abgegebene druckproportionale Meßsignal wird von getrennten
Hochfrequenzmeßverstärkern 33, 34 und 35 mit einer Grenzfrequenz von 100 kHz verstärkt.
Ihr Meßbereich ist von 1 mV bis 300 mV einstellbar. Die Meßverstärker wandeln die
elektrischen Spannungen in proportionale Ströme um, die die zugehörigen Spulenschwinger
des W-Mehrfachschreibers 32 anregen. Durch Vorschub des lichtempfindlichen Papiers
36 mit konstanter Geschwindigkeit entsteht so eine Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs
der Meßsignale, d.h. der Beschleunigung, der vertikalen und horizontalen Spannungen
der Bodenprobe und des Porenwasserdrucks. Um Beeinflussungen der Meßsignale durch
äußere elektromagnetische Fremdfelder zu vermeiden, sind alle Verbindungsleitungen
der Geräte der Meßkette mit einer Abschirmung versehen, die mit Masse verbunden
ist.
-
Bei den Druckaufnehmern handelt es sich ebenso wie bei dem Beschleunigungsaufnehmer
um handelsübliche Erzeugnisse.
-
Bei den Druckaufnehmern beträgt die Meßgenauigkeit bei Frequenzbereichen
von 0 bis 2,7 kHz 1 % des Wertes der maximalen Belastbarkeit.
-
Das Bodenuntersuchungsgerät wird in folgender Weise gehandhabt:
Vor
dem Einfüllen der zu untersuchenden Bodenprobe 37 werden die Druckaufnehmer 12,
13 und 20 kalibriert. Hierbei wird einem definierten Druck ein bestimmter Ausschlag
des W-Mehrfachschreibers zugeordnet. Nun wird die zu untersuchende Bodenprobe in
den Zylindertopf eingebaut, anschließend bei einem bindigen Boden eine Ausgleichsschicht
38 aufgeschüttet und der Topf mit dem Deckel 21 verschlossen. Danach wird die Beendigung
der Konsolidation abgewartet, in deren Verlauf über die Wegmeßuhr 27 die Setzung
an der Porenoberfläche und zugleich der Porenwasserdruck gemessen wird.
-
Nach erfolgter Konsolidation erfolgt die Bearbeitung durch Fallenlassen
der Fallmassen auf die Ausgleichsschicht oder auf die Probenoberfläche, soweit bei
der Untersuchung eines nichtbindigen Bodens die Ausgleichsschicht fehlt.
-
Durch den Aufprallvorgang wird die Bodenprobe impulsartig belastet.
Die Größe der Belastung wird mit dem Newton'schen Gesetz aus der gemessenen Beschleunigung
ermittelt. Auf dem Papierstreifen 36 des W-Mehrfachschreibers erhält man hierbei
die Größe und den zeitlichen VerlauE der Meßsignale, d,h. die Beschleunigung der
Fallmasse, die horizontalen und vertikalen Bodenspannungen und den Porenvasserdrucko
Mit den auf diese Weise gewonnenen Daten läßc sich die Verdichtungsaufgabe auf der
Baustelle kalZculierc~1¢ Dadurch, daß der Verdichtungserfolg vorausberechenbar ist,
läßt sich das Risiko für Fehlschläge weitgehend ausschalten. Der Einsatz des neuen
Bodenuntersuchungsgerätes er mögliche somit eine wesentliche Erhöhung der Wirtschaitlichkeit
des Verfahrens der dynamischen Intensivverdicntung.
-
Leerseite