DE3502527A1

DE3502527A1 - Verfahren und vorrichtung zur entnahme einer bodenprobe

Info

Publication number: DE3502527A1
Application number: DE19853502527
Authority: DE
Inventors: Josef Wels Bauer; Alfred Molln Kimbacher; Dieter Ing.(grad.) 8192 Gelting Rebhan
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1985-01-25
Filing date: 1985-01-25
Publication date: 1986-07-31
Also published as: AT385302B; ATA90385A

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme einer Probe aus einem Boden.
Bodenuntersuchungen dienen z.B. dazu, Unterlagen für die Planung und Ausführung von Bauwerken bereitzustellen. Dabei werden Schichtenfolge, Neigung und Mächtigkeit der Schichten sowie Eigenschaften der einzelnen Bodenschichten ermittelt.
Zur Erkundung eines Bodens, beispielsweise eines Baugrunds, dienen am häufigsten Bodenproben, die mit Hilfe von Bohrungen entnommen werden. Diese lassen sich relativ schnell, sicher und auf große Tiefen ohne Behinderung durch Wasserandrang niederbringen. Große Aussagekraft haben dabei sogenannte gekernte Bodenproben, für deren Gewinnung spezielle Kernbohrer eingesetzt werden. Hierzu dienen verschiedene Bohrverfahren wie z.B. Drehbohrungen, insbesondere Rotationskernbohrungen, und Drehschlagbohrungen (Schulze/Simmer, Grundbau, Teil 1, Seite 40 bis 51).
Alle herkömmlichen Verfahren haben einen wesentlichen Nachteil. Durch die mechanische Einwirkung. die durch das Bohrgestänge, den Probenehmer und bei der Entnahme der Probe aus dem Probenehmer auf die Probe ausgeübt wird, wird das Gefüge des Bodens verändert. Bei Drehbohren oder Schlagbohren z.B. entsteht eine Verdichtung. Bei der Entnahme aus dem Probenehmer oder bei Lockergesteinen entstehen Lockerungen oder Vermischungen. Sehr feine, aber für Forschungszwecke oft wichtige Störzonen in Böden werden durch die Stauchungen, die durch das Bohrgestänge verursacht werden, häufig verwischt. Somit sind natürlich Grenzeinflüsse schwer beurteilbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, das die Entnahme einer möglichst ungestörten Bodenprobe ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Boden ein Gefrierrohr eingebracht und über das Gefrierrohr dem das Gefrierrohr umgebenden Boden Wärme entzogen wird, bis um das Gefrierrohr ein Frostkörper gebildet worden ist und das Gefrierrohr mit dem Frostkörper aus dem Boden gezogen wird.
Erfindungsgemäß wird um das in den Boden eingebrachte Gefrierrohr ein Frostkörper aufgebaut. Dieser Frostkörper muß bis in einen Bereich des Bodens um das Gefrierrohr hinein gebildet werden, in dem beim Einbringen des Gefrierrohres keine Störungen des Boden bewirkt wurden. Zu diesem Zweck wird dem das Gefrierrohr umgebenden Boden ausreichend lang Wärme entzogen. Sobald sich ein Frostkörper mit der erforderlichen Mächtigkeit gebildet hat, wird das Gefrierrohr zusammen mit dem angefrorenen Frostkörper aus dem Boden gezogen. Mit dem Frostkörper wird somit eine Bodenprobe gewonnen, in der der bei herkömmlichen Verfahren übliche mechanische Einfluß vermieden worden ist Diese Bodenprobe ist ungestört. Das Profil dieser Bodenprobe gleicht dem tatsächlichen Bodenprofil. Grundsätzlich kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Probe aus Böden der unterschiedlichsten Art gewonnen werden. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch bei der Entnahme von Proben aus Böden niedriger Konsistenz, aus Böden mit hohem Wassergehalt und/oder aus stark rolligen Böden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dem Boden Wärme durch indirekten Wärmetausch mit einem tiefkalten Fluid entzogen, das durch das Gefrierrohr geleitet wird. Unter einem tiefkalten Fluid wird dabei ein Fluid verstanden, dessen Temperatur deutlich unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt.
Durch den Einsatz eines tiefkalten Fluids wird ein besonders rasches Wachstum des Frostkörpers bewirkt.
Das tiefkalte Fluid wird erfindungsgemäß in das Gefrierrohr eingeleitet und nach dem indirekten Wärmetausch mit dem umgebenden Erdreich aus dem Gefrierrohr abgezogen. Dabei hat es sich nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das tiefkalte Fluid über ein Fallrohr in den Fußbereich des Gefrierrohres geleitet wird. Auf diese Weise wird das tiefkalte Fluid über das z.B. konzentrisch innerhalb des Gefrierrohres verlaufende Fallrohr in den untersten Bereich des Gefrierrohres gebracht, ohne daß ein wesentlicher Wärmetausch zwischen Fluid und Erdreich erfolgt. Das Fluid strömt nach dem Austritt aus dem Fallrohr in dem Zwischenraum zwischen Fallrohr und Gefrierrohr zurück und nimmt dabei Wärme aus dem umgebenden Erdreich auf.
Die Frostkörperbildung verläuft in einer erfindungsgemäßen Variante besonders rasch, wenn das tiefkalte Fluid ein verflüssigtes Gas ist. Wegen seines tiefen Siedepunktes, seine Verfügbarkeit und seines relativ niedrigen Preises hat sich hierbei flüssiger Stickstoff als besonders geeignet erwiesen.
In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird das Gefrierrohr mit Hilfe einer verrohrten Bohrung gesetzt oder es wird gerammt.
In einer Variante der Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn wenigstens ein Teil des Gefrierrohres aus Kupfer besteht. Durch diese Maßnahme wird der Wärmeübergang zwischen Erdreich und Fluid verbessert und die erforderliche Fluidmenge kann reduziert werden. Dabei hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn nur das Endstück mit einer Länge von z.B. 3 m aus Kupfer besteht. Damit wurde in lockeren Sedimenten und organischen Schlämmen beste Erfolge erzielt.
Gilt es eine Bodenprobe aus einem Boden zu entnehmen und durchsetzt das Gefrierrohr einen Bereich, dem keine Probe entnommen werden soll, so hat es sich in einer Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, wenn das Gefrierrohr in diesem Bereich beheizt wird. Die Beheizung des Gefrierrohres in Bereichen, in denen eine Probenentnahme uninteressant ist, kann beispielsweise mit Wasser oder elektrisch erfolgen. Dieser Verfahrensschritt erleichtert das Ziehen des Gefrierrohres mit dem anhängenden Frostkörper.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die dem Gefrierrohr zuzuführende Fluidmenge in Abhängigkeit von der Temperatur des Fluids im Gefrierrohr nach dem Wärmetausch mit dem Boden geregelt.
Zur besseren Ablösung des Frostkörpers nach dem Ziehen des Gefrierrohres hat es sich in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als zweckmäßig erwiesen, wenn das Gefrierrohr nach dem Ziehen mit einem Heizmedium beschickt wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen aus einem Gefrierrohr, in das ein an einen Vorratsbehälter für tiefkaltes Fluid anschließbares Fallrohr hineinragt, wobei an einem Ende des Gefrierrohres eine Zugvorrichtung befestigbar ist. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung an der Außenseite des Gefrierrohres Widerlager angeordnet sind. Derartige Widerlager, beispielsweise Rippen in Form von aufgesetzten Scheiben erhöhen den Reibwiderstand und bilden Widerlager für den Eis-Probekörper. Die Verbindung Eiskörper-Gefrierrohr ist dadurch sehr intensiv.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Gefrierrohr auf einem Teil seiner Länge von einem Heizmantel umgeben. Dieser Heizmantel kann beispielsweise mit einem Heizmedium beschickt werden.
Im Bereich des Heizmantels bildet sich kein Frostkörper, wodurch, wie oben angegeben, das Ziehen des Gefrierrohres erleichtert wird. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann das Gefrierrohr auch auf einem Teil seiner Länge von einer Isolierung umgeben sein.
Die Isolierung wird in jenen Bereichen des Gefrierrohres angebracht, die sich nach dem Einbringen des Gefrierrohres in den Boden an Stellen befinden, an denen keine Probenentnahme erforderlich ist.
In einer weiteren Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn auf der Außenseite des Gefrierrohres eine Fläche spiralförmig angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist das Gefrierrohr selbst als Spiralbohrer ausgebildet. Dabei hat sich eine große Wendelsteigung der Spirale als vorteilhaft erwiesen. Mit einer derartigen Vorrichtung wird das Setzen und Ziehen des Gefrierrohres erleichtert.
Da sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders zur Entnahme von Bodenproben aus Böden niedriger Konsistenz, aus Böden mit hohem Wassergehalt und/ oder aus stark rolligen Böden eignet, wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit besonderem Vorteil auf die Gewinnung von Bodenproben aus Sedimenten von Gewässern (z.B.
Schlamm, Torf, Sand, Kies usw.) angewendet. Außerdem hat sich die Anwendung auf die Gewinnung kompletter Profile aus größeren Tiefen als vorteilhaft erwiesen. Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Skizzen erläutert werden.
Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, mit der eine Bodenprobe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen werden kann.
Fig. 2 u. 3 jeweils eine schematische Darstellung des Fußbereiches einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Gemäß Fig. 1 soll eine Bodenprobe aus den Sedimenten 14 unter einem Gewässer 13 entnommen werden.
Dazu wird ein Gefrierrohr 1, beispielsweise ein hochfestes Stahlrohr mit einem Durchmesser von 1,5" mit Hilfe einer verrohrten Bohrung oder durch Rammen in die Sedimente eingebracht. Innerhalb des Gefrierrohres 1 ist ein Fallrohr 2 koaxial und mit Abstand zum Gefrierrohr 1 angeordnet. Das Fallrohr 2 reicht bis in den Fußbereich des Gefrierrohres 1 und ist dort offen. Das andere Ende 11 des Fallrohres 2 durchsetzt eine Kappe 9 mit der das Gefrierrohr 1, 7 nach oben abgeschlossen ist.
Dieses Ende 11 des Fallrohres 2 ist über ein Regelventil 12 an einen nicht dargestellten Vorratsbehälter für ein tiefkaltes Fluid, das im Ausführungsbeispiel verflüssigter Stickstoff ist, angeschlossen. Mit 3 ist eine Stahlspitze bezeichnet, die das Gefrierrohr 1 nach unten abschließt. Eine Öffnung 10 verbindet den koaxialen Ringraum zwischen Fallrohr 2 und Gefrierrohr 1 mit der Atmosphäre. Im Ringraum ist ein Temperaturmeßfühler 6 angeordnet. Die Meßsignale des Temperaturfühlers 6 werden in einer Temperaturregelung 8 erfaßt und dienen zur Regelung des Durchflusses durch Regelventil 12. Das Gefrierrohr 1 besteht nur in seinem oberen Bereich 7 aus Stahl, während der untere, etwa 3 m lange Bereich aus Kupfer besteht. Auf der Außenseite des Gefrierrohres sind Rippen 5 in Form von aufgesetzten Scheiben angeschweißt um eine stabile Verbindung zwischen Gefrierrohr und Frostkörper herstellen zu können.
Zur Ausbildung eines Frostkörpers 4 wird verflüssigter Stickstoff über Regelventil 12 in das Fallrohr 2 und damit auf den Boden des hochfesten, aus Kupfer bestehenden Gefrierrohres geleitet. Der flüssige Stickstoff tritt in indirekten Wärmetausch mit dem umgebenden Erdreich, wobei der Stickstoff verdampfen kann. Über den Ringraum zwischen Fallrohr 2 und Gefrierrohr 1, 7 strömt der Stickstoff zurück und verläßt das Gefrierrohr über die Abgasöffnung 10. Der Stickstoffdurchsatz durch Regelventil 12 wird anhand des Temperaturmeßfühlers 6 geregelt. Auf diese Weise kann der Frostkörper 4 örtlich begrenzt werden. Sobald der Frostkörper 4 bis in einen Bereich des Bodens gewachsen ist, der beim Einbringen des Gefrierrohres nicht gestört worden ist, wird die Zufuhr von verflüssigtem Stickstoff unterbrochen und das Gefrierrohr 1, 7 zusammen mit dem angefrorenen Frostkörper 4 aus dem Boden 14 gezogen. Eine dazu dienende Zugvorrichtung greift am oberen Ende des Gefrierrohres 1, 7 an. Die Zugvorrichtung ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Sobald die Probe gezogen ist, kann über das Fallrohr 2 ein Heizmedium, beispielsweise Wasser, in das Gefrierrohr 1, 7 eingeleitet werden. Dadurch kann der Frostkörper 4 leichter vom Gefrierrohr 1,7 gelöst werden.
In Fig. 2 ist das untere Ende eines Gefrierrohres 1 mit Fallrohr 2 dargestellt. Außerdem ist in dieser Skizze ein Heizmantel 15 schematisch dargestellt, der während der Beschickung der Fallrohr-Gefrierrohrkombination mit verflüssigtem Stickstoff beheizt wird, beispielsweise durch Wasser, das den Heizmantel 15 durchströmt.
Durch diese Verfahrensweise bildet sich ein Frostkörper nur im Bereich unterhalb des Heizmantels 15. Auf diese Weise können Bereiche, in denen eine Probenentnahme uninteressant ist, von der Frostkörperbildung ausgenommen werden. Dadurch wird das Ziehen des Gefrierrohres erleichtert.
In Fig. 3 ist schematisch ein als Spiralbohrer mit großer Wendelsteigung ausgebildetes Gefrierrohr 1 dargestellt. Eine Fläche 16 ist auf der Außenseite des Gefrierrohres spiralförmig angeordnet. Diese Ausgestaltung des Gefrierrohres erleichtert das Setzen und Ziehen des Gefrierrohres.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Gewinnung völlig ungestörter Bodenproben ermöglicht. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Entnahme von Bodenproben aus Sedimenten von Flüssen und Seen, aber auch aus größeren Tiefen zur Gewinnung kompletter Profile.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Entnahme einer Probe aus einem Boden, dadurch gekennzeichnet, daß in den Boden ein Gefrierrohr eingebracht und über das Gefrierrohr dem das Gefrierrohr umgebenden Boden Wärme entzogen wird, bis um das Gefrierrohr ein Frostkörper gebildet worden ist und das Gefrierrohr mit dem Frostkörper aus dem Boden gezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Boden Wärme durch indirekten Wärmetausch mit einem tiefkalten Fluid entzogen wird, das durch das Gefrierrohr geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte Fluid über ein Fallrohr in den Fußbereich des Gefrierrohres geleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte Fluid ein verflüssigtes Gas ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verflüssigte Gas verflüssigter Stickstoff ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierrohr mit Hilfe einer verrohrten Bohrung gesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierrohr gerammt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Gefrierrohres aus Kupfer besteht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierrohr in einem Bereich, dem keine Probe entnommen werden soll, beheizt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Gefrierrohr zuzuführende Fluidmenge in Abhängigkeit von der Temperatur des Fluids im Gefrierrohr nach dem Wärmetausch mit dem Boden geregelt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierrohr nach dem Ziehen mit einem Heizmedium beschickt wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Gefrierrohr (1, 7) ein an einen Vorratsbehälter für tiefkaltes Fluid anschließbares Fallrohr (2) hineinragt und an einem Ende des Gefrierrohres (1,7) eine Zugvorrichtung befestigbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite des Gefrierrohres (1) Widerlager (5) angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierrohr (1, 7) auf einem Teil seiner Länge von einem Heizmantel (15) umgeben ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13. dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierrohr (1) auf einem Teil seiner Länge von einer Isolierung umgeben ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15. dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite des Gefrierrohres (1) eine Fläche (18) spiralförmig angeordnet ist.
17. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach einem der vorherstehenden Ansprüche auf die Gewinnung von Bodenproben aus größeren Tiefen oder aus Sedimenten von Gewässern (z.B.

Schlamm, Torf, Sand, Kies usw.).