DE3403521A1 - Vorrichtung zur bestimmung eines spannungszustandes - Google Patents
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Description
Gesellschaft für Strahlen- und Neuherberg, den 3.O..1.1984
Umweltforschung mbH, München PLA 8404 Ga/he ANR 1068083
Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannungszustandes
3A03521
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannungszustandes geschlossener Formationen
mittels einer Druckmessung.
Die Kenntnis des mechanischen Zustandes z.B. eines Gebirges, insbesondere seines Spannungszustandes, ist
für die Belange des Berg- .und Tunnelbaues sowie für die Bodenmechanik von besonderer Bedeutung. Über die Möglichkeit
seiner in situ-BeStimmung wird daher in diversen
Veröffentlichungen ausführlich berichtet (W.Dreyer, 1974, Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart).
Zum Problem der weitgehend isothermen Beanspruchung des Gebirges im Berg- und Tunnelbau sowie in der Bodenmechanik
erlangte insbesondere im Rahmen der Endlagerung hochradioaktiver Stoffe die thermomechanische
Belastung des Gebirges eine besondere Bedeutung (Albers und Ehlert, 1982, ISRM Symposium, Aachen). Für die insitu-Spannungsermittlung
ergeben sich im aufgeheizten Gebiet des Gebirges besondere Probleme, da die Messungen
in einem relativ schnell zeitlich veränderlichen Temperatur- und Spannungsfeld durchgeführt werden müssen
(bis 2000C). Trotz dieser relativ schnellen zeitlichen
Änderungen wird von allen Meßverfahren eine hohe Nullpunktkonstanz verlangt.Vorausgesetzt- wird dabei, daß
nicht nur sehr kurzfristige Spannungsänderungen des thermisch induzierten Spannungsfeldes von Interesse
sind, sondern daß auch der Absolutwert der Spannung ermittelt werden soll.
Besondere Probleme ergeben sich insbesondere bei den hohen Temperaturen bei allen Meßverfahren, die Druckbzw.
Kraftmessungen an Materialien mit bekannten elastischen Parametern durch DMS-Applikation vornehmen.
Hier zeigt sich, daß selbst bei ausgesucht thermisch stabilen DMS eine große zeitliche Korrektur
des Nullpunktdrifits angebracht werden muß. Unabhängig
von diesem Kriechen des DMS auf dem Druckstempel ist für das Gesamtsystem eine genaue Eichung der
Temperaturabhängigkeit vorzunehmen. Dies gilt in gleicher Weise für die Durchführung von Messungen
nach dem Prinzip einer schwingenden Saite und auch bei Messungen, die/mit*Glötzl-Dosen geführt werden
geht eine zeitlich veränderliche Temperatur in die Messung ein. Ursache hierfür ist der unterschiedliche
thermische Ausdehnungkoeffizient zwischen dem Gebirge und den Teilen der Glötzlzelle. Hier wirkt sich aus,
daß der Druck nicht direkt, sondern indirekt über die Volumenkonstanthaltung einer bestimmten (z.B.
Quecksilber) Menge erfolgt. Spannungsmessungen, die mit Fiat Jacks durchgeführt werden (Hoskins, 1966,
Inst. J.Rock Mech.Min. Sei., Vol. 3, Pergamon Press)
eignen sich nur für den stoßnahen Bereich des Gebirges. Bei den in den letzten Jahren insbesondere in Tiefbohrungen
durchgeführten Hydraulic-Facturing-Messungen besteht ein besonderes Problem in der Erkennung der
Frac-Orientierung und darin, daß zur Ermittlung des
gesamten Spannungstensors bekanntlich sechs voneinander linear unabhängige Frac-Orientierungen erzeugt werden
müssen. Neben diesen Problemen wird der Einsatz zur Erfassung schnell veränderlicher Spannungsfelder unpraktikabel,
da eine Dauerregistrierung der Spannung kaum möglich ist.
Das Überbohrverfahren (G.Herget, Inst. J.Rock Mech. Min. Sei and Geomech. Abstract, Vol. 10, Pergamon
Press ,1973) läßt nur zeitlich sehr stark diskontinuierliche Spannungsmessungen zu. Der Hauptnachteil
dieses Verfahrens ist aber, daß zur Umrechnung der beim Überbohren auftretenden Verformungen in Spannungen
die elastischen Parameter des in situ anstehenden Gebirges bekannt sein müssen.
Ihre besondere Bedeutung haben die beiden letztgenannten Meßverfahren in der Anwendung zur Absolutspannungsbestimmung
im kriechfähigen oder nicht kriechfähigen (z.B. Granit) Gebirge.
Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung der e.g. Art derart auszubilden,
daß mit ihr Absolutspannungsmessungen auch bei hohen Temperaturen und rasch veränderlichen Spannungszuständen
durchgeführt werden können.
Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben.
Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausführungsformen der Erfindung wieder.
Das erfindungsgemäße Druckkissen arbeitet demnach
nach einem Kompensationsverfahren mit einer direkten Druckmessung, d.h. in die Messung gehen keinerlei
Materialparameter ein, so daß am Druckkissen auch bei stark variabler Temperatur (wie anhand von Messungen
gezeigt wird) keine Eichung vorgenommen werden muß. Gemessen wird der Zeitpunkt des Abhebens zweier
dünner Bleche voneinander, wenn zwischen diesen Blechen der außen anliegende Druck erreicht ist. Als Indikator
für dieses Abheben wird die Änderung des elektrischen Widerstandes zwischen beiden Blechen gemessen.
Ein ähnliches Verfahren wurde zwar von Natau (2.Kongress
der Internationalen Gesellschaft für Felsmechanik, Belgrad, 1970, Bd.4) vorgeschlagen und erprobt. Er verwandte
allerdings nicht den elektrischen Widerstand sondern einen aufgeklebten DMS als Signalgeber.
Die Ermittlung des Abhebesignals durch eine Widerstandsmessung läßt es zu, daß trotz der relativ dünnen
Blechdicken das Kissen sehr robust ist. Auch ist die Messung wenig störanfällig, da der Stahl des Druckkissens
selbst für angefeuchteten Salzgruß ein so guter Leiter ist, daß sich der Widerstandssprung deutlich
abzeichnet. Ein weiterer Vorteil des Druckkissens ist, daß das Kissen mit seiner Gesamtdicke von nur ca·.
0,5 mm bei einem zeitlich veränderlichen Spannungsfeld aufgrund des unterschiedlichen Kompressionsmoduls zwischen Kissenmaterial und Gebirge kein nennenswertes
Eigenspannungsfeld in der direkten Umgebung des Kissens erzeugt, wie dies bei relativ dicken Kissen
oder Druckmeßdosen möglich ist.
— 7 —
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren 1-4 näher erläutert.
Das Druckkissen ist in seinem Aufbau in den Fig. 1-2 im Schnitt dargestellt. Es besteht aus einem Rohr 1 das
zur Zuführung einer Flüssigkeit oder eines Gases, insbesondere von z.B. Hydrauliköl 11 dient, und zwei dünnen
Blechen 2 und 3 mit einem für Metalle hohen spezifischen elektrischen Widerstand (Chrom-Nickel, VA-Stahl), die
beide miteinander an den Rändern druckdicht verbunden, z.B. verlötet, sind. Über das Rohr 1 und eine Bohrung
im oberen Blech 2 kann Hydrauliköl 11 zwischen beide Bleche 2 und 3 gepumpt werden. In der Mitte beider
Bleche 2 und 3 von z.B. rechteckiger Form (oder Kreisscheiben) sind elektrische Kontaktstellen 5 und 6 als
Stromzuführung und Spannungsabgriff angebracht bzw. aufgelötet.
Mit dem Druckkissen wird die auf die Kissenoberfläche (äußere Oberfläche der beiden Bleche 2 und 3) wirkende
Normalkomponente des Spannungsvektors S
S =(σ · η) · η.
σ = Spannungstensor
η. = Flächennormal vektor
bestimmt (im hydraulischen Zustand entspricht dies dem Druck). Entsprechend wird von außen anliegendem
Druck Pa gesprochen. Ziel einer Messung ist es nun, diesen Druck Pa zu bestimmen. Es besteht die Möglich-
keit, mit 6 linear unabhängig angeordneten Kissen den Spannungstensor zu bestimmen.
Das Meßprinzip wird aus dem zeitlichen Ablauf einer Messung deutlich.
1. Zu Beginn der Messung (Fig. 1) bleibt das in das Gebirge eingebaute Druckkissen durch den außen
anliegenden Druck Pa zusammengedrückt. Durch die Kontakte 7 und 8 wird ein Gleichstrom geschickt.
Dieser erzeugt einen Spannungsabfall, der über den Spannungsabgriff 9 und 10 gemessen wird.
Der zwischen den Spannungsabgriff 9, 10 vorhandene
elektrische Widerstand wird im wesentlichen durch die Dicken der Chromnickelbleche 2 und 3 bestimmt.
Der Widerstand der Kontaktstellen 5, 6 bzw. Lötstellen ist zu vernachlässigen. Der Strom fließt,
entsprechend dem kürzesten Weg von 7 nach 8 und nicht über die Lötstellen, mit denen die beiden
Bleche 2 und 3 am Rand verlötet sind.
2. Nun wird der Öldruck Pi im Hydraulikrohr 1 erhöht. Solange dieser Öldruck Pi kleiner als der außen
anliegende Druck Pa ist, bleibt der Übergangswiderstand im Idealfall konstant. Bei einem Überschreiten
des außen anliegenden Druckes Pa wird sich dann der Übergangswiderstand sprunghaft er-
höhen, da dann beide Bleche 2 und 3 voneinander getrennt werden (Fig. 2) und der Strom einen großen
Weg im relativ schlecht leitfähigen Chromnickelstahl über die Randlötstellen zurückzulegen hat.
Der gemessene Druck Pi zum Zeitpunkt des Sprunges im Widerstand entspricht dem am Druckkissen außen
anliegende Druck Pa.
Da nur der Widerstandssprung ausgewertet wird und die Materialparameter sowohl des Druckkissens als auch
des umgebenden Materials nur einen Einfluß auf die Höhe des Sprunges haben, ist die auswertbare Messung eine
Absolutmessung.
Daß auch ungünstige Bedingungen im umgebenden Gebirge keine Auswirkung auf die Auswertbarkeit einer Messung
haben,wurde experimentell überprüft, indem das Druckkissen
in einem stark angefeuchteten Salz eingesetzt wurde. Im Vergleich zu Messungen im trockenen Salz
konnte eine markante Änderung der Höhe des Widerstandssprunges nicht festgestellt werden. Dies ist leicht
dadurch zu erklären, daß der Widerstand des Chromnickelstahles immer noch wesentlich kleiner als der
Widerstand einer Salzlauge ist. D.h. auch das mit Salzlauge gesättigte Salz ist für das Druckkissen noch
als Isolator anzusehen.
- 10 -
Das erfindungsgemäße Druckkissen wurde unter einer einaxialen Presse erprobt. Hierzu wurde ein Rohr
mit Salzgruß gefüllt und in das Rohr das beschriebene Druckkissen eingebaut. Die Rohrwandung wurde stark
mit Öl benetzt, damit die Messung nicht durch Reibungseffekt zwischen Salzgruß und Rohrwandung verfälscht
wurde. Der Salzgruß wurde mit einer Kraft belastet, von der aus dann auf den Druck Pa in Fig.
umgerechnet wurde. Der Spannungsabfall U zwischen den Kontakten 9 und 10 ist in Fig. 3 auf der Ordinate
eingetragen. Die Messungen wurden mit einem XY-Schreiber durchgeführt. Die Meßergebnisse von 0 bis 400 bar
sind dort aufgezeichnet und geben einen Eindruck über die Meßgenauigkeit des Druckkissens. Ungünstige Voraussetzungen
durch Reibungseffekte und nicht exakt homogenen Salzgrußes bleiben unberücksichtigt.
Die folgende Tabelle gibt die entsprechenden Werte und ihre Differenz wieder.
| eingestellte Druck | Messung (bar) | Abweichung |
| (bar) | 60 | (bar) |
| 50 | 105 | 10 |
| IOC | 150 | 5 |
| 150 | 195 | 0 |
| 200 | 240 | -5 |
| 250 | 295 | -10 |
| 300 | 402 | -5 |
| 400 | -2 | |
- 11 -
Man erhält für diesen Druckbereich, der einem mittleren
Druck von 207 bar entspricht, eine Standardabweichung von 6,3 bar. Dies entspricht einem relativen
Fehler von 3,0 %. Dieser Fehler ist durch weitere Experimente und hieraus folgende Verbesserungen noch
zu reduzieren. Dies gilt insbesondere für die Randbedingungen, die durch den' Pressenversuch gegeben sind
bzw. für seine Störungen.
Der Meßfehler, den das Druckkissen allein hervorruft, wurde durch eine Messung im Hochdruckautoklaven demonstriert.
Der Fehler lag hier in der Ablesegenauigkeit der Meßgeräte bei 0,5 bar. Dies entspricht einem relativen
Fehler von 0,3 % bei 150 bar. Die Aufzeichnung! der Messungen (Spannung U an den Kontakten 9, 10
gegen Pi für verschiedene Pa) ist in Fig. 4 dargestellt.
12 -
- Leerseite -
Claims (6)
1.) Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannungszustandes
geschlossener Formationen mittels einer Druckmessung, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein Druckkissen mit mindestens zwei Seitenwänden (2, 3) vorgesehen ist, deren Abstand zueinander
veränderbar ist,
b) ein Medium (11) mit bekanntem Druck (Pi) zwischen die beiden Seitenwände (2, 3) einpreßbar ist, und
c) der elektrische Widerstandswert zwischen je einer Kontaktstelle (9, 10) auf einer der beiden Seitenwände
(2, 3) fortlaufend registrierbar ist-,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Druckkissen aus zwei Seitenwänden (2, 3) besteht, die an den Seitenrändern
miteinander dicht zusammengefügt sind und daß das Medium (11) über eine Rohrleitung (1) in
den Raum zwischen den beiden Seitenwänden (2, 3) herangeführt ist.
3. Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannungszustandes nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Seitenwände (2, 3) aus zwei Blechen von rechteckiger Form oder Kreisscheiben bestehen.
4. Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannungszustandes nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch
gekennzeichnet, daß das Medium (11) eine Flüssigkeit oder Gas ist (insbesondere ist Öl geeignet).
5. Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannungszustandes nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch
gekennzeichnet, daß die Seitenwände (2, 3) zumindest im Bereich der beiden Kontaktstellen (5, 6) aus
elektrisch leitfähigem Material bestehen.
6. Vorrichtung zur Bestimmung eines Spannungszustandes nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet
durch die Verwendung zur in-situ-Absolutspannungsbestimmung
in kriechfähigem oder ..nicht kriechfähigem
Material, insbesondere im Gebirge oder Salzformationen unter wechselnden Spannungs- und Temperaturzuständen.
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