DE3507206A1

DE3507206A1 - Verfahren und anordnung zur bestimmung von gesteinseigenschaften

Info

Publication number: DE3507206A1
Application number: DE19853507206
Authority: DE
Inventors: Friedrich Karl Dipl.-Ing. Dipl.-Geol. 6100 Darmstadt Dannenberg
Original assignee: Dannenberg friedrich Karl dipl-Ingdipl-Geol
Current assignee: Dannenberg friedrich Karl dipl-Ingdipl-Geol
Priority date: 1985-03-01
Filing date: 1985-03-01
Publication date: 1986-09-04
Also published as: DE3507206C2

Description

Verfahren und Anordnung zur Bestimmung von
Gesteinseigenschaften Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. In weiten Bereichen der Geologie und des Bauwesens ist es erforderlich, Eigenschaften von Gestein zu bestimmen. Insbesondere beim Straßen- und Dammbau, aber auch beim Hoch- und Tiefbau interessiert insbesondere die Festigkeit des für Bauwerke zu verwendenden Gesteins. Insgesamt ist jedoch eine Reihe von Eigenschaften für die technische Verwendung oder für die wissenschaftliche Untersuchung von Gesteinen interessant.
Die allgemein zur Untersuchung von Gestein angewandten zerstörenden Prüfverfahren sind jedoch recht aufwendig und erfordern einen erheblichen apparativen Aufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung von Gesteinseigenschaften anzugeben, das sich schnell und einfach durchführen läßt und zu dem einfache und transportierbare Geräte verwendet werden können, so daß sich das Verfahren sowohl stationär als auch im Feld anwenden läßt.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß es schnell Ergebnisse liefert und daß die dafür notwendigen Geräte leicht transportierbar sind. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich folgende für die Geotechnik und Baupraxis wichtige Eigenschaften von Gesteinen bestimmen bzw. ableiten: 1. Verformungsverhalten 2. Fraktionierungsverhalten 3. Kantenfestigkeiten 4. Klüftigkeiten 5. Verwitterungseigenschaften 6. Verwitterungsgrad 7. Druck- und Zugfestigkeiten bzw. Bruchverhalten 8. Oberflächenstruktur 9. Setzungsverhalten 10. Verdichtungseigenschaften 11. Verdichtungsenergie 12. Rißkeimbildung 13. Wasseranfälligkeit 14. Tektonische Überprägungen 15. Kornformen 16. Für die Verwendbarkeit von Natursteinen: Aussagen über Strukturrichtungen und Gefügeschwächungen 17. Chemische Resistenz Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Mit einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine sehr einfache Untersuchung von Gesteinsproben möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemaßen Verfahrens, Fig. 2 ein Teil aus der Anordnung nach Fig. 1 in detaillierterer Darstellung und Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung von Ergebnissen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 sind zwei einander gegenüberstehende Schallköpfe 1, 2 vorgesehen, von denen der eine fest montiert ist, während der andere auf einem Schlitten 3 angeordnet ist, welcher auf einer Bahn 4 bewegbar ist. Einer der Schallköpfe ist als Ultraschallsender ausgeführt, während der andere als Ultraschallempfänger dient. Zur Aufnahme der Gesteinsprobe 5 werden die Ultraschallköpfe genügend weit auseinander gefahren und anschließend so weit zusammengeschoben, daß ein mechanischer Kontakt zwischen den Schallköpfen 1, 2 und der Gesteinsprobe 5 entsteht.
Bei der Beprobung von Baumaterial sollte die Probengröße nach Möglichkeit so gewählt sein, daß ihre festigkeitsrelevanten Inhalte noch denen entsprechen, wie sie im betreffenden Bauwerk zum Tragen kommen. Untersuchungen haben gezeigt, daß faust-oder doppeltfaustgroße oder auch ca. 1 bis 2 kg schwere Gesteinskörper ausreichen. Größere Proben bringen in der Regel keine zusätzlichen Erkenntnisse.
Das Verfahren ermittelt Faktoren, die charakterisierend sind für Einzelgesteine oder Gesteinshaufwerke und zwar im getrockneten (Trockenschrank bei ca. 1000 C bis Gewichtskonstanz) und wassergesättigten (Vacuumverfahren mit anschließender Wasserbedeckung von ca. 24 h) Zustand.
Während der Messung kann die Gesteinsprobe mit der Hand gehalten werden. Es sind jedoch auch entsprechende Haltevorrichtungen denkbar.
An der Bahn 4 befindet sich eine nicht näher dargestellte elektrische Wegmeßeinrichtung, welche die Entfernung zwischen den Spitzen der Schallköpfe, also die Weglänge des Ultraschalls durch die Gesteinsprobe 5, mißt. Das Meßergebnis wird mit Hilfe einer Digitalanzeige 6 angezeigt. Ferner wird die Laufzeit eines Ultraschallimpulses durch die Gesteinsprobe 5 gemessen und mit Hilfe einer weiteren Digitalanzeige 7 angezeigt. Durch Division von Zeit und Weg wird die Schallgeschwindigkeit bestimmt.
In die schematische Darstellung der Gesteinsprobe 5 sind deren Achsen a, b und c eingezeichnet, um anzudeuten, daß die Messung der Schallgeschwindigkeit in drei Richtungen erfolgt. Hierzu wird die Vorrichtung nach der ersten Messung wieder geöffnet, die Gesteinsprobe entsprechend parallel versetzt oder ge- dreht, und danach der Schlitten wieder an die Gesteinsprobe herangefahren werden, so daß die Schallköpfe wieder in mechanischen Kontakt der Gesteinsprobe geraten. Je Richtung sollte eine ausreichende Anzahl von Messungen durchgeführt werden, um die Eigenschaftsmerkmale der Gesteinsprobe vollständig statistisch zu erfassen.
Damit die Schallköpfe einen von Messung zu Messung konstanten Druck auf das Gestein ausüben, ist mindestens einer der Schallköpfe 1, 2 gemäß Fig. 2 in Hülsen 10 gelagert und wird mit Hilfe einer Schraubenfeder 11 an einen vorderen Anschlag 12 der Hülse gedrückt. Wird nun der Schlitten 3 nach links gefahren, wird die Feder 11 nach Berührung der Gesteinsprobe zusammengedrückt. Wird dann die Schlittenbewegung beendet, ohne daß die Druckfeder 10 merkbar verformt wird, so ergibt sich ein konstanter Andruck der Schallköpfe.
In dieser Stellung des Schlittens wird auch die Weglänge gemessen. Durch weiteres Verfahren des Schlittens 3 kann der Andruck gezielt erhöht werden und dabei mit Hilfe einer Skala 13 und einer Öffnung 14 in der Hülse 10 gemessen werden.
Für die Aufnahme eines für einen Gesteinstyp typischen Charakterbildes werden die an den Gesteinsproben gewonnenen Schal laufzeiten der Größe nach sortiert, entweder in a, b, c getrennt, oder insgesamt, was sinnvoller ist. Diese Vereinfachung führt allgemein zu keiner praktischen Informationsminderung.
Danach werden die Daten in ein für das Ultraschallverfahren entwickeltes Diagramm (Fig. 3) eingetragen und ergeben einen spezifischen Kurvenverlauf des Gesteins bei einer bestimmten Wassersättigung und Spannung. Mehrere solcher Ultraschallauftragungen führen zu einer Streuung von Kurven, die insgesamt ein Verteilungsband haben, was bestimmt ist durch Maxima, Mittelwerte und Verteilungsfunktion (beispielsweise Standardabweichungen). Diese Kurvenverläufe sind gekennzeichnet durch ihre Neigungen und die Größe der Geschwindigkeiten, die sie markieren.
Somit ist eine exakte und differenzierte mathematische Bestimmung der Gesteinscharakteristik durch das Ultraschallverfahren gegeben. Eine Abhängigkeit von Temperaturen im Bereich von etwa 0 bis 1000 C ist ohne praktische Bedeutung, wenn dadurch keine nennenswerten Spannungsdifferenzen oder -änderungen im Gesteinsgefüge auftreten.
Im Ultraschalldiagramm werden die Ordinatenabschnitte (a), (b), (c), die den Systemrichtungen der Gesteine im allgemeinen entsprechen, in die Anzahl (Statistik) der Messungen aufgeteilt. In die so entstehenden Zeilen des Diagramms trägt man dann die der Geschwindigkeitsgröße nach sortierten Messungen ein. Bei Vergrößerungen des Diagramms insgesamt, oder von dessen Teilen, muß aus Gründen der Vergleichbarkeit das Verhältnis der Abschnittshöhen (a), (b), (c) zu den Abschnittsbreiten, gegeben durch die Geschwindigkeitseinheit 1 km/sec, konstant bei 1 : 3 bzw. 1 : 1 bleiben.
Die so gewonnenen Charakterbilder (Diagramme) sind typisch für die Gesteinstypen, deren mineralogische und tektonische Ausprägung sowie deren Verwitterungszustand. Im einzelnen drücken die Kurvenverläufe der Ultraschallbilder folgendes aus: 1. Neigungen: Inhomogenitäten 2. Geschwindigkeiten: Festigkeiten 3. Standardabweichungen: Streubreiten von 1. und 2.
4. Kurvenversätze in (a), (b) oder (c): Anisotropien 5. Kurvenverlaufsdifferenz von gleichen Gesteinen unterschiedlicher Wassergehalte, Spannungen, usw.: Wasser bzw. Spannungsempfindlichkeit Gleichförmige oder harmonische und ungleichförmige oder disharmonische Inhomogenitäten werden demonstriert durch die Form der Ultraschall-Kurven. Der Kurvenverlauf hängt vom Gesteinstyp ab, Formen und Neigungen in den Richtungen (a), (b), (c) oder insgesamt sind gesteinstypisch und in ihrer Bedeutung spezifisch.
In das Diagramm nach Fig. 3 sind je Richtung der Übersichtlichkeit halber nur vier Meßwerte für je drei Gesteinsproben eingetragen. Diese geringe Anzahl von Meßwerten kann im Einzelfall, insbesondere bei homogenen Gesteinen genügen. Unter Umständen sind jedoch wesentlich mehr Meßwerte erforderlich. Kurve A stellt Werte für ein weiches Gestein dar mit latenter Verschieferung, welches nicht für hohe Beanspruchung geeignet ist. Die Kurven B und C sind durch Messungen von gesättigtem und trockenem Flachschiefer entstanden, während die Kurve D sich aus Messungen eines Basaltgesteins ergeben hat.
Bei einer vergleichenden Kurvendiskussion können die zu vergleichenden Gesteine durchaus verschiedenen Gesteinstypen bzw. -arten angehören.
Ein Haufwerk aus Gesteinen verschiedener Art und/oder unterschiedlicher Verwitterungsstufen und/oder differenzierter tektonischer Überprägungen kann auch blind beprobt werden, d.h. in der Diagrammauswertung ergeben sich dann mehrere Häufungsverläufe (Sortierung), die sich mehr oder weniger deutlich gegenseitig differenzieren und jeweils unterschiedliche Gesteinsparameter markieren.
Mit der Ultraschallmethode lassen sich in der Praxis auch prozentuale Anteile von technisch unterschiedlich verwendbaren Gesteinen ermitteln, wie z.B. bei Gestein aus Kernbohrungen.
Kurvenverlaufsfakten von Gesteinen, von denen keine direkten Vergleichswerte vorliegen, können dann durch Kurvendiskussionen interpoliert werden, mit steigender Genauigkeit, je dichter ein korreliertes Netz von Kurvenverläufen vorhanden ist.
In Fig. 1 ist ferner angedeutet, daß die Meßergebnisse auf einen Datenträger, beispielsweise auf ein Magnetband 8, aufgezeichnet werden können. Außerdem ist es möglich, die Meßergebnisse mit den zuvor abgespeicherten Ergebnissen von bekannten Gesteinen mit Hilfe elektronischer Datenverarbeitung zu vergleichen.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung von Gesteinseigenschaften dadurch gekennzeichnet, daß eine Probe des'Gesteins in drei - vorzugsweise aufeinander senkrecht stehende - Richtungen mit Ultraschallwellen durchschallt wird, daß durch Zeit- und Wegmessung die Schallgeschwindigkeit im Gestein ermittelt wird und daß die so ermittelten Werte für die drei Richtungen mit Werten von bekannten Gesteinen verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschallung entsprechend den petrographischen Achsrichtungen (a, b, c) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je Richtung mehrere Messungen statistisch ausschöpfend über die Gesteinsflächen verteilt durchgeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe im trockenen und/oder im mit Feuchtigkeit gesättigtem Zustand gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleiche bei unterschiedlichen Feuchtezuständen durchgeführt werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Vergleichen die absolute Geschwindigkeit, die Anisotropie und die Inhomogenität der Meßwerte berücksichtigt werden.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ultraschallköpfe (1, 2) sich fluchtend gegenüber stehen, daß mindestens einer der Ultraschallköpfe beweglich angeordnet ist, daß je eine Meßeinrichtung zur Messung des Abstandes der Ultraschallköpfe und zur Messung der Laufzeit der Ultraschallwellen im Gestein vorgesehen ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Ultraschallköpfe (1, 2) federnd angeordnet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem der Ultraschallköpfe eine Vorrichtung zur Messung des Andrucks auf die Gesteinsprobe vorgesehen ist.