DE3883618T2

DE3883618T2 - Verfahren zur Bestimmung und von Dicken und Eigenschaften unterirdischer Schichten ohne Ausgrabung.

Info

Publication number: DE3883618T2
Application number: DE19883883618
Authority: DE
Inventors: Michio Meshida; Takenori Satoh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-06-11
Filing date: 1988-06-09
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 2008-06-10
Also published as: EP0295096B1; DE3883618D1; EP0295096A3; JP2609108B2; EP0295096A2; JPS63309887A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Untersuchung bzw. Vermessung und Bestimmung von Dicken und Eigenschaften unterirdischer Bodenschichten ohne Ausgrabung.
Obwohl die Erfindung im Grunde für alle Arten von Plätzen bzw. Stellen, befestigt oder unbefestigt, gepflastert bzw. asphaltiert oder ungepflastert, einsetzbar ist, ist sie insbesondere nützlich für eine nicht-destruktive Untersuchung und Bestimmung von Dicken und Eigenschaften unterirdischer Schichten von Straßen, Abflug- bzw. Landebahnen oder Abstellplätzen in Flughäfen, Parkplätzen, Schulhöfen, Sportplätzen, von Fabrikgeländen oder anderen Plätzen, wo Bodenoberflächen befestigt oder gepflastert sind, und deshalb eine Zerstörung oder Ausgrabung des Bodens besonders unerwünscht ist.
Eine asphaltierte Straße oder Autobahn ist ein typischer Gegenstand, bei welchem die Erfindung wirkungsvoll eingesetzt werden kann. Deshalb wird aus Bequemlichkeitsgründen die Diskussion und Erläuterung der Erfindung insbesondere in Bezugnahme auf einen Fall einer asphaltierten Straße durchgeführt. Jedoch sollte klar sein, daß die Erfindung gleichermaßen für nahezu alle Arten von Plätzen bzw. Lagen angewendet werden kann.
Im Falle der Errichtung einer asphaltierten Straße werden beispielsweise Dicken und Materialien von deren Deckschichten und der Unterlage normalerweise bestimmt, nachdem ein Eindringtest bis zum Untergrundboden durchgeführt und das Tragfähigkeitsverhältnis, z.B. ein CBR (California Bearing Ratio) Wert, erhalten wurde, und unter Berücksichtigung der zu erwartenden Verkehrsdichten, anderen Verkehrsbedingungen, beispielsweise Fahrzeuggewichte und Umgebungs- bzw. Umweltbedingungen.
Im Normalfall sind deshalb die Daten betreffend der ursprünglichen unterirdischen Bedingungen von asphaltierten Straßen, z.B. Schichtdicken und Schichteigenschaften, bereits verfügbar. Falls aber Instandhaltung, Ausbesserung, Restauration oder Neuasphaltierung einer Straße erforderlich werden, wird es nichtsdestotrotz oft notwendig, die Dicken und Eigenschaften der unterirdischen Straßenschichten von der obersten Schicht bis zum Untergrund erneut zu untersuchen, um die Tauglichkeit der Straße zu bestätigen. Die Dicken und Eigenschaften der Unterlage und des Untergrundbodens einer Straße neigen dazu, sich zu verändern, nachdem sie für Jahre dem Verkehr oder der Verwitterung ausgesetzt waren. Außerdem kann die oberste Schicht der Straße auch ihre Dicke und Eigenschaft verändern aufgrund Instandhaltungen und Ausbesserungen, die nach der Errichtung der Straße durchgeführt wurden. Dementsprechend ist es notwendig, die Dicken und Eigenschaften der unterirdischen Schichten erneut zu untersuchen, um die gegenwärtigen Verhältnisse zu kennen.
Straßenbeläge können auf befestigte, aber ungepflasterte bzw. unasphaltierte Straßen aufgebracht werden, z.B. Kies- oder Schotterstraßen (Makadam) oder auch Straßen mit einem Oberflächenüberzug, z.B. einem Antistaub-Oberflächenüberzug oder einem Bitumen-Oberflächenüberzug. In einem solchen Fall müssen zuerst Studien durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob die gegenwärtige Straßenoberfläche als die Deckfläche des Untergrundes betrachtet werden oder eine Deckschicht in einer bestimmten Tiefe als eine neue Unterlagenschicht betrachtet werden soll. Es ist deshalb nach wie vor notwendig, Schichtdicken und Eigenschaften der unterirdischen Schichten zu untersuchen, z.B. das CBR, Körnergrößen oder Bodencharakteristika der Straßen, die befestigt werden sollen.
Ein konventionelles Verfahren zur Untersuchung unterirdischer Schichtdicken und Eigenschaften besteht darin, eine Bohrung durchzuführen. Jedoch ist dies nicht unbedingt ein einfaches und schnelles Verfahren. Eine Bohrung kann mit geringeren Schwierigkeiten an einer unbefestigten Straße oder einem Platz durchgeführt werden. Es ist überflüssig zu erwähnen, daß für die Untersuchung einer Unterlage und eines Untergrundes durch eine Bohrung ein Abschnitt der obersten Schicht der Straße zuerst durchbrochen und beseitigt werden muß. Des weiteren muß der entfernte Abschnitt später wieder aufgefüllt und wiederhergestellt werden. Das Bohrverfahren ist deshalb arbeits- und zeitaufwendig sowie unwirtschaftlich. Unter diesen Umständen bestand nach der Entwicklung eines zuverlässigen, nicht-destruktiven Untersuchungsverfahrens von unterirdischem Boden seit langem ein dringendes Bedürfnis seitens der Industrie.
DE-B-1101420 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Dickenstruktur eines Erzlagers bzw. Erzvorkommens. Dies wird dadurch erreicht, daß zu Beginn ein Loch bis zum Erz gebohrt wird, um die Dicke des Erzes in dieser spezifischen Lage zu bestimmen, und daß sodann eine seismische Reflexionstechnik verwendet wird, um die Dicke der Erzschichten in den anderen Lagen durch Untersuchung der Reflexionskonstanten bei ausgewählten Frequenzen der Schockwelle zu bestimmen. Bei dieser Technik müssen die niedrigen Frequenzkomponenten der Schockwelle ausgefiltert und die hohen Frequenzkomponenten verstärkt werden. Die ausgewählte Frequenz muß eine Wellenlänge besitzen, die in etwa der erwarteten Dicke der Erzschichten in den anderen Lagen entspricht.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Untersuchung und Bestimmung von Dicken und Eigenschaften unterirdischer Bodenschichten bzw. Schichten unterhalb der Bodenoberfläche ohne Ausgrabung zur Verfügung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
a) Positionieren eines Bodenschwingungserzeugers bzw. -vibrators in vorgegebenen Abständen am Boden, wobei der Bodenschwingungserzeuger Schwingungsenergiewellen von vorgegebenen Frequenzen überträgt, und mehrere Detektoren, welche die Schwingungsenergiewellen nachweisen;
b) Anregen des Bodens durch den Bodenschwingungserzeuger in den vorgegebenen Frequenzen, so daß sich die Schwingungsenergiewellen durch die unterirdischen Schichten ausbreiten können;
c) Nachweisen der Schwingungsenergiewellen durch die Detektoren und Erzielen von Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Wellen für jede der vorgegebenen Frequenzen;
d) Berechnen der entsprechenden Wellenlängen der vorgegebenen Frequenzen und Bestimmen einer halben Wellenlänge für jede der vorgegebenen Frequenzen;
e) Gleichsetzen von jeder Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der mittleren Ausbreitungsgeschwindigkeit der entsprechenden Welle, die sich durch den unterirdischen Boden in einer Tiefe ausbreitet, welche der entsprechenden ermittelten halben Wellenlänge entspricht;
f) Bestimmen einer ersten Korrelation zwischen der Tiefe des unterirdischen Bodens und der Ausbreitungsgeschwindigkeit für mehrere Tiefen; und
g) Bestimmen der Schichtstruktur und der Dicke von jeder der unterirdischen Schichten unter Verwendung der ersten Korrelation.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Untersuchung individueller unterirdischer Schichtdicken und Eigenschaften des Bodens, beispielsweise einer Straße oder anderer Plätze, indem die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwingungsenergie gewonnen wird, die sich durch die unterirdischen Schichten im Bereich von der Deckfläche bis zumindest einem Untergrundabschnitt ausbreitet. Die Untersuchung benötigt einen Bodenschwingungserzeuger bzw. -vibrator, der Schwingungsenergie vorgegebener Frequenzen erzeugt, um den Boden anzuregen, sowie eine Gruppe von Meßgeräten einschließlich mehrerer Schwingungsdetektoren und einer Computeranlage, wodurch Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie erhalten werden. Der Schwingungserzeuger und die Detektoren werden am Boden in bestimmten Abständen in verschiedenen Anordnungen plaziert. Der Schwingungserzeuger generiert Schwingungsenergie vorgegebener Frequenzen, die Schwingungsdetektoren erfassen die sich ausbreitende Schwingungsenergie und die Computeranlage berechnet die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie, die sich durch die unterirdischen Schichten im Bereich von der Deckfläche bis zum Untergrund ausgebreitet hat.
Die Meßausrüstung ist auf dem Markt erhältlich. Ein Beispiel für die Meßausrüstung, die für die Erfindung verwendet werden kann, ist Sato's Automatic Geological Research System (Model GR 810 Serie), das von Sato Geological Research System Co., Ltd., Tokyo, Japan, hergestellt wird. Ohne weiteres sind individuelle Instrumente der Meßausrüstung auf dem Markt erhältlich. Einige der Lieferanten und Modellnummern derartiger Instrumente werden später genannt. Mit Hilfe des Bodenuntersuchungssystems ohne Ausgrabung einschließlich eines Bodenschwingungserzeugers und Schwingungsdetektoren wurden von uns an verschiedenen Straßenplätzen Messungen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie durchgeführt, die sich durch die unterirdischen Bodenschichten im Bereich zwischen den jeweiligen Straßenoberflächen bis zu Tiefen ausbreitete, die Abschnitte der jeweiligen Untergründe umfaßten. Andererseits haben wir auch mit einem konventionellen Ausgrabungsverfahren Untersuchungen der Dicken und Arten der Deckschichten, der Dicken der Unterlagen und Untergründe, der Korngrößen der Bestandteilsmaterialien, der CBR-Werte, der Eigenschaften des Bodens usw. an diesen Stellen durchgeführt. Sodann haben wir vergleichsweise die Daten der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Meßverfahren ohne Ausgrabung gewonnen wurden, und die Daten analysiert, die mit Hilfe des konventionellen Verfahrens erhalten wurden. Als Folge davon haben wir nicht nur festgestellt, daß wir imstande waren, die Dicken der individuellen unterirdischen Schichten im Tiefenbereich von der Straßenoberfläche bis zu den Untergründen zu kennen, und zwar aus der Kenntnis der Differenzen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie, sondern wir fanden auch die Existenz einer klaren Korrelation zwischen den CBR-Werten der Bestandteilsmaterialien und den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie. Des weiteren fanden wir, daß wir die Eigenschaften der individuellen unterirdischen Schichten unter Verwendung dieser Korrelation bestimmen konnten. Wir haben die vorliegende Erfindung vervollständigt, nachdem wir ausreichend Daten erhalten und darüber weitere Studien durchgeführt hatten.
Als Beispiel werden nun erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beschrieben, und zwar nur mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Darin zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm, das eine Basisanordnung der individuellen Instrumente des für die Erfindung verwendeten Systems veranschaulicht;
Fig. 2 eine beispielhafte schematische Schnittansicht, die einen Bodenschwingungserzeuger, zwei Schwingungsdetektoren und unterirdische Schichten eines Bodens veranschaulicht, die mit Hilfe der Erfindung untersucht werden können;
Fig. 3 eine zweite beispielhafte schematische Schnittansicht, die einen Bodenschwingungserzeuger, drei Schwingungsdetektoren und unterirdische Schichten eines Bodens veranschaulicht, die mit Hilfe der Erfindung untersucht werden können;
Fig. 4 eine dritte beispielhafte schematische Schnittansicht, die einen Bodenschwingungserzeuger, fünf Schwingungsdetektoren und unterirdische Schichten eines Bodens veranschaulicht, die mit Hilfe der Erfindung untersucht werden können;
Fig. 5 eine vierte beispielhafte schematische Schnittansicht, die einen Bodenschwingungserzeuger, vier Schwingungsdetektoren und unterirdische Schichten eines Bodens veranschaulicht, die mit Hilfe der Erfindung untersucht werden können;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht, die eine unterirdische Schichtstruktur einer Straße veranschaulicht, die mit Hilfe der Erfindung untersucht werden kann;
Fig. 7 ein Diagramm, welches mit Hilfe der Erfindung erhaltene Datenpunkte veranschaulicht. Das Diagramm zeigt die Korrelation zwischen unterirdischen Schichtdicken einer Straße und mittleren Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie;
Fig. 8 eine graphisches Diagramm, das aus den in Fig. 7 gezeigten Daten erzeugt wird und die Korrelation zwischen individuellen Tiefen unterirdischer Schichten und Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie zeigt;
Fig. 9 ein Diagramm, welches die Korrelation zwischen tatsächlich erhaltenen CBR-Werten und Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie für den Fall zeigt, daß die Geschwindigkeiten kleiner als 200 m/sek sind; und
Fig. 10 ein Diagramm, welches die Korrelation zwischen tatsächlich erhaltenen CBR-Werten und Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie für den Fall zeigt, daß die Geschwindigkeiten größer als 200 m/sek sind.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer Basisanordnung der Instrumente, die für die Erfindung verwendet werden, um die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie in verschiedenen Tiefen eines Bodens unterhalb der Oberfläche zu messen. In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Boden, 2 einen Bodenvibrator bzw. Bodenschwingungserzeuger, der am Boden 1 positioniert ist, 3 mehrere Schwingungsenergiedetektoren, die in bestimmten Abständen vom Schwingungserzeuger 1 angeordnet sind, 4 einen elektrischen Generator, 5 einen programmierbaren Oszillator, 6 einen Leistungsverstärker, 7 ein Display, 8 einen Computer, 9 einen Filter, 10 einen Signalverstärker und 11 einen X-Y-Plotter. Das gesamte System einschließlich der obigen Instrumente wird normalerweise auf einem Fahrzeug getragen.
Nur der Schwingungserzeuger 2 und die Detektoren 3 sind direkt am Boden 1 positioniert, wenn die Messung für die Untersuchung stattfindet. Der elektrische Generator 4 liefert die gesamte für die Messung benötigte elektrische Energie.
Der Oszillator 5 erzeugt eine modulierte Signalwelle, deren Parameter, z.B. Amplitude, Frequenz und Übertragungszeiten bzw. -zeitabstände, programmierbar sind. Ein Oszillatorlieferant ist beispielsweise Hewlett Packard Co., Ltd. U.S.A. (z.B. Modell 8165 A). Der Leistungsverstärker 6 verstärkt die modulierte Signalwelle, die vom Oszillator 5 gesendet wird, und liefert die Ausgangsleistung an den Schwingungserzeuger 2. Einige der Leistungsverstärkerlieferanten sind: Accoustic Power System, Inc., U.S.A. (Verstärker für Modell 113 Serie); ADI Inc. U.S.A. (Modell N-300 usw.) und Derritron Electronics, Ltd., England. Der Vibrator 2 ist ein magnetischer Schwingungserzeuger vom High-fidelity-Typ, welcher die vom Leistungsverstärker 6 empfangene Ausgangsleistung in eine physikalische Schwingungskraft umwandelt und Schwingungsenergie mit einer vorgegebenen Kombination von Frequenzen und Amplituden auf den Boden überträgt.
Schwingungserzeuger verschiedenster Kapazitäten sind erhältlich. Ein Schwingungserzeuger vom geeigneten Typ ist je nach spezifischer Art und Bedingung des zu untersuchenden Bodens auszuwählen. Unter den Lieferanten für Schwingungserzeuger 2 sind: Acoustic Power System, Inc. (Schwingvorrichtung (shaker) für Modell 113 Serie), U.S.A.; ADI, Inc. (Modell AV Serie), U.S.A.; und Derritron Electronics, Ltd., England. Jeder der Detektoren 3 empfängt bzw. erfaßt die sich vom Schwingungserzeuger 2 ausbreitende Schwingungsenergie, wandelt die Schwingungsenergie in ein elektrisches Signal um und überträgt das Signal dem Signalverstärker 10. Obwohl Fig. 1 nur zwei Detektoren zeigt, kann die Anzahl von Detektoren 3 mehr als 2 betragen. Der Signalverstärker 10 verstärkt das vom Detektor 3 empfangene elektrische Signal auf eine geeignete Amplitude und überträgt das verstärkte Signal durch den Filter 9 an den Computer 8. Es gibt eine Vielzahl an Lieferanten für den Signalverstärker 10. Philips, Niederlande (z.B. Modelle PR9252, PR7413) ist einer davon. Der PC/AT Computer von IBM ist einer der populärsten Computer, der für den Computer 8 verwendbar ist. Der Filter 9 eliminiert Rauschkomponenten der Schwingungssignale, die von verschiedenen Hintergrundschwingungsquellen herrühren, beispielsweise vom Verkehr auf dem Boden und vom Wind. Einer der Lieferanten für Filter ist Wavetek, Inc., U.S.A. (Modellserie 700). Display 7 ist ein Oszilloskop, das die Wellenformen der Schwingungssignale oder die Ergebnisse der Berechnungen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten veranschaulicht. Tektronix, Inc., U.S.A. (z. B. Modell 335) ist einer der Displaylieferanten. Der X-Y Plotter 11 druckt die erhaltenen Daten aus, z.B. die gemittelten Ausbreitungsgeschwindigkeiten entlang der X-Achse und die Tiefen von der Bodenoberfläche aus entlang der Y-Achse. Hewlett Packard Co., Ltd., U.S.A. (z.B. Modell 7440A) ist einer der Lieferanten für X-Y Plotter 11.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 werden zwei Detektoren verwendet. Jedoch können in anderen Ausführungsbeispielen mehr als zwei Detektoren verwendet werden. Die Genauigkeiten der erhaltenen Daten können geringfügig beeinflußt werden durch den Gegenstand der Untersuchung, durch die Tiefe von der Bodenoberfläche aus, die vermessen bzw. untersucht werden soll, und durch die Eigenschaften der Unterlage oder des Untergrundes. Höhere Genauigkeiten können erzielt werden durch geeignete Auswahl der Schwingungserzeuger- und Detektortypen oder der Anzahl der Detektoren, sowie der Verhältnisse, wie der Schwingungserzeuger und die Detektoren am Boden positioniert werden.
Beispiele für verschiedene Anzahlen von Detektoren und Positionierungsbedingungen werden in den Schnittansichten der Figuren 2-5 veranschaulicht. So kann beispielsweise der Abstand zwischen den Zentren des Schwingungserzeugers 2 und des Detektors 3, welcher dem Schwingungserzeuger am nächsten ist, auf 25 cm festgelegt werden, und der Abstand zwischen den Zentren der benachbart angeordneten Detektoren 3 kann auf 20 cm festgelegt werden. Die Anzahl der Detektoren ist 2, 3 und 5 in den Ausführungsbeispielen der Figuren 2, 3 bzw. 4. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Detektoreinheiten 3 an jeder der gegenüberliegenden Seiten des Schwingungserzeugers 2 angeordnet.
Ausbreitungsgeschwindigkeiten der vom Schwingungserzeuger 2 übertragenen Schwingungsenergie können zwischen beliebigen zwei Detektoreinheiten 3 bestimmt werden, indem die Differenz der Zeiten gewonnen wird, an denen die Schwingungsenergie durch das ausgewählte Paar von Detektoren 3 erfaßt wird. Die Detektoren 3 in den Figuren 2-5 sind durch Bezugslinien in verschiedenen Kombinationen als Paare dargestellt. Dies zeigt an, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit zwischen jedem Detektorpaar gemessen wird. Bei dem in den Figuren 2, 3 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen werden Ausbreitungsgeschwindigkeiten zwischen zwei benachbarten Detektoren gemessen. Dagegen werden beim Ausführungsbeispiel, das in Fig. 4 gezeigt ist, Ausbreitungsgeschwindigkeiten zwischen zwei Detektoren gemessen, wobei ein weiterer Detektor zwischen den zwei Detektoren angeordnet ist. Meßgenauigkeiten können verbessert werden durch geeignete Auswahl der Detektoren und deren Positionen oder durch Erhöhung der Anzahl von Detektorpaaren, um eine größere Menge an Daten von Zeitdifferenzen zu erhalten.
Die Messung wird für die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Oberflächenwellen der Schwingungsenergie durchgeführt, die vom Schwingungserzeuger 2 auf den Boden übertragen wird. Die Elastizität (elasticity) einer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwingungsenergie kann betrachtet werden als die mittlere Geschwindigkeit innerhalb des unterirdischen Bereiches des Bodens, und zwar im Bereich von der Bodenoberfläche bis zu der Tiefe, die einer Hälfte (1/2) der Wellenlänge (λ) der Schwingungsenergie entspricht. Somit kann die aus der Messung erhaltene Ausbreitungsgeschwindigkeit (V) ausgewertet werden als die mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit ( ) der Schwingungsenergiewelle, die sich durch den unterirdischen Boden bzw. Boden unterhalb der Oberfläche ausbreitet, wobei der Boden mittlere Eigenschaftsmerkmale und eine Tiefe besitzt, die einer Hälfte (1/2) der Wellenlänge (λ) entspricht.
Die Messung wird nämlich derart durchgeführt, daß zuerst eine Schwingungsenergiewelle mit einer bestimmten Frequenz durch den Schwingungserzeuger 2 generiert wird, sodann die Zeiten bzw. Zeitabstände der Ausbreitungswellen durch mehrere Detektoren aufgenommen werden, die am Boden positioniert sind, und daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle durch den unterirdischen Boden berechnet wird. Es erübrigt sich festzustellen, daß die Frequenz in eine Wellenlänge umgewandelt bzw. umgerechnet werden kann. Die hierdurch erhaltene Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle kann als die mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit durch den unterirdischen Boden betrachtet werden im Bereich von der Bodenoberfläche bis in die Tiefe, die einer Hälfte (1/2) der Wellenlänge entspricht. Da die Tiefe durch die Wellenlänge gegeben ist, können mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie erhalten werden, die sich durch unterirdischen Boden verschiedener vorgegebener Tiefen ausbreitet, indem am Boden verschiedene Schwingungsfrequenzen angelegt werden, welche den jeweiligen vorgegebenen Tiefen entsprechen.
Sobald die Korrelation zwischen der Tiefe des unterirdischen Bodens und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle für verschiedene Tiefen bestimmt ist, kann auch die Schichtstruktur des unterirdischen Bodens bestimmt werden. Und schließlich kann die Dicke der jeweiligen Bestandteilsschichten und die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit jeder Schicht ermittelt werden.
In der Regel kann die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit jeder Schicht aus der gemessenen mittleren Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ( ) durch die folgende Formel ermittelt werden:
Wobei:
Vn: Wellenausbreitungsgeschwindigkeit (m/sek) für die Schicht im Bereich von der Tiefe n bis Tiefe n-1
Dn: Tiefenpunkt n (m)
Dn-1: Tiefenpunkt n-1 (m)
n: Mittlere Wellenausbreitungsgeschwindigkeit (m/sek) für die Schicht im Bereich von der Bodenoberfläche bis zum Tiefenpunkt n
n-1: Mittlere Wellenausbreitungsgeschwindigkeit (m/sek) für die Schicht im Bereich von der Bodenoberfläche bis zum Tiefenpunkt n-1.
Nachfolgend wird ein Beispiel für eine Messung mit Hilfe des vorstehenden Meßverfahrens beschrieben. Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer unterirdischen Schichtstruktur einer Straße. In Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 21 eine Oberflächenschicht, die aus einer Asphaltmischung besteht, Bezugszeichen 22 eine obere Unterlagenschicht, Bezugszeichen 23 eine untere Unterlagenschicht, Bezugszeichen 24 eine obere Untergrundschicht und Bezugszeichen 25 eine untere Untergrundschicht. Fig. 7 zeigt ein Beispiel der Meßergebnisse, die von der Schichtstruktur in Fig. 6 erhalten werden. Die X-Achse und Y-Achse in Fig. 7 stellen eine mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit (m/s) bzw. Tiefe (m) dar. Fig. 8 zeigt den Wert der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in jeder der Schichten, so wie sie aus den in Fig. 7 gezeigten Daten erhalten wird. Die X- Achse und Y-Achse in Fig. 8 stellen eine Wellenausbreitungsgeschwindigkeit V (m/s) bzw. Tiefe (m) dar. Die in den Figuren 7 und 8 gezeigten Daten können automatisch durch mathematische Operationen erhalten werden. Wie in Fig. 8 ersichtlich, spiegeln die durch die jeweiligen Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten unterschiedenen bzw. differenzierten Schichtdicken deutlich die in Fig. 6 gezeigte Schichtstruktur wieder.
Beim Studium der Daten, die beim Untersuchen einer unterirdischen Struktur einer Straße gewonnen wurden, fanden wir heraus, daß es eine definierte Korrelation zwischen den Tragfähigkeitsverhältnissen (CBR, modifizierte CBR usw.) der Materialien, welche die Unterlage und den Untergrund der Straße bilden, und den Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten gab. Ein Beispiel für eine derartige Korrelation ist in den Figuren 9 und 10 gezeigt. Figuren 9 und 10 zeigen die Korrelation zwischen CBR-Werten der Materialien, welche die Unterlage und den Untergrund der Straße bilden, und den Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten.
Wie in den Figuren 9 und 10 gezeigt, ist das CBR in zwei Gruppen unterteilt. Eine Gruppe davon entspricht den Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten, die kleiner als 200 m/sek sind, nämlich V < 200 m/sek, - wie in Fig. 9 gezeigt. Die andere Gruppe entspricht den Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten, die größer als 200 m/sek sind, nämlich V > 200 m/sek, - wie in Fig. 10 gezeigt. In jedem der Diagramme in den Figuren 9 und 10 ist ersichtlich, daß es eine definierte Korrelation zwischen den CBR-Werten und den Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten gibt.
Bei Verwendung einer derartigen Korrelation können die CBR- Werte der Materialien berechnet werden, die Unterlage und Untergrund der Straße bilden.
Somit können nun Dicke und Eigenschaft jeder der unterirdischen Schichten eines Bodens, beispielsweise einer Straße, untersucht und bestimmt werden durch die vorstehend beschriebene Untersuchungsmethode ohne Ausgrabung. Die Eigenschaften der Schichten können auch in anderen Einheiten ausgedrückt werden, beispielsweise als Elastizitätskoeffizient, N-Wert des Kegeleindringtests, Kegeltragwert oder Kegelwert.
Als nächstes werden die Merkmale und Wirkungen des erfindungsgemäßen Bodenuntersuchungsverfahrens nachfolgend zusammengefaßt:
(1) Anlegen von Schwingungsenergie an den zu untersuchenden Boden durch einen spezifischen Schwingungserzeuger; Messen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie; Erhalten der Ausbreitungsgeschwindigkeiten und Schichtdicken der jeweiligen unterirdischen Bestandteilsschichten und Bestimmen auf vorgeschriebene Art und Weise der Schichteigenschaften mit Hilfe der Korrelation zwischen den Ausbreitungsgeschwindigkeiten und den Schichteigenschaften.
(2) Das erfindungsgemäße unterirdische Bodenuntersuchungsverfahren benötigt nicht viel Platz für den Arbeitseinsatz; die Messung kann vergleichsweise einfach innerhalb einer kurzen Zeitspanne durchgeführt werden; hierdurch kann an Arbeitsaufwand, an Zeit und an Kosten wesentlich gespart werden.
(3) Die Untersuchung kann durchgeführt werden, ohne den Boden zu beschädigen. Im Gegensatz zu den konventionellen Untersuchungsverfahren ist es somit nicht notwendig, den Boden nach der Untersuchung wiederherzustellen oder zu erneuern.
(4) Die Untersuchung kann einfach wiederholt werden, und im wesentlichen dieselben Daten können reproduzierbar erzielt werden.
(5) Die Schichtdicken und Eigenschaften, die durch das erfindungsgemäße Untersuchungsverfahren gewonnen werden, stimmen mit denjenigen überein, die durch konventionelle Verfahren erhalten werden, - innerhalb eines praktisch zulässigen Toleranzbereiches.
(6) Irgendwelche Hohlräume im Boden, Metall-Leitungen (z.B. Wasserleitungen, Gasleitungen), Betonleitungen und andere künstliche Gegenstände können ebenso durch das erfindungsgemäße Untersuchungsverfahren erfaßt werden.
Aufgrund der vorstehend erwähnten Merkmale und Wirkungen kann das erfindungsgemäße, nicht-destruktive Untersuchungsverfahren wirkungsvoll eingesetzt werden, um Dicken und Eigenschaften unterirdischer Schichten nicht nur von Straßen zu bestimmen, sondern auch von anderen Stellen, gepflastert bzw. asphaltiert oder ungepflastert, beispielsweise Fabrikgelände, Spielplätze, Sportplätze und Parkanlagen.
Als nächstes wird ein tatsächlich erhaltenes Ergebnis einer Untersuchung beschrieben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt wurde. Bei der Untersuchung wurden Dicke von jeder unterirdischen Schicht und Tragfähigkeitsverhältnisse der Unterlage und des Untergrundbodens bestimmt.
Ein Beispiel einer Untersuchung bzw. Vermessung:
Der Gegenstand der Untersuchung: Eine Straße mit Asphaltbelag, wobei ein Abschnitt des Belages entfernt wurde. Aus dem Unterlagenmaterial und dem Untergrundboden wurden Proben entnommen und korrigierte CBR-Werte der Materialien der Unterlage und CBR-Werte des Untergrundbodens mit Hilfe eines konventionellen Ausgrabungsverfahrens gewonnen.
Als Ergebnis hat sich gezeigt, daß die Oberflächenschicht aus 4 cm dicken, hitzebehandelten Asphalt bestand. Die nächste Schicht war die obere Unterlagenschicht, die aus 20 cm dicken, zu Körnern zertrümmerten Steinen bestand mit einem gemessenen CBR-Wert von 113%. Die nächste Schicht war die untere Unterlagenschicht, die über eine Dicke von 30 cm aus geschnittenen und zertrümmerten Steinen bestand mit einem gemessenen korrigierten CBR-Wert von 69%; und die darunterliegende Schicht, die dem Untergrundboden entsprach, mit einem gemessenen CBR-Wert von 1,8%.
An derselben Stelle wurden Schwingungen verschiedener Frequenzen durch einen Schwingungserzeuger generiert; die Korrelation zwischen den Tiefen und den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie wurde bestimmt sowie die Dicke jeder Schicht und die entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeit gewonnen. Als Ergebnis stimmten die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnenen Schichtdicken mit den Daten überein, die durch Ausgraben und direktes Messen der Schichtdicke erhalten wurden. Was die obere Unterlage, die untere Unterlage und den Untergrundboden anbelangt, so wurden deren CBR-Werte aus den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Schwingungsenergie mit Hilfe der Darstellung in den Figuren 9 und 10 gewonnen, und die Werte wurden mit denjenigen verglichen, welche durch die direkte Messung erzielt wurden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 unten dargestellt. Dabei sind die CBR-Werte der oberen Unterlage und der unteren Unterlage in der Tabelle berichtigte bzw. korrigierte CBR-Werte. Die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten wurde dreimal wiederholt. Entsprechend sind drei Datensätze unter "Messung Nummer" 1, 2 und 3 in Tabelle 1 angeführt. Wellenausbreitungsgeschwindigkeit (m/sek) untersuchte Schicht Messung Nr. CBR (%) bestimmtdurch das erfindungsgemäße Verfahren CBR (%) direkt gemessen durch ein konventionelles Verfahren Obere Unterlage Untere Unterlage Untergrundboden Mittel * korrigierte CBR-Werte Tabelle 1
Was die spezifische Anordnung der Detektoren anbelangt, so wurde der Schwingungserzeuger an der Straßenoberfläche plaziert und der erste Detektor in einem Zentrum-zu-Zentrum Abstand von 25 cm vom Schwingungserzeuger entfernt angeordnet. Der zweite Detektor wurde weiter entfernt vom Schwingungserzeuger plaziert und in einem Zentrum-zu-Zentrum Abstand von 20 cm vom ersten Detektor auf einer imaginären Linie angeordnet, die durch die Zentren des Schwingungserzeugers und ersten Detektors verläuft. Verschiedene Schwingungsfrequenzen wurden im Bereich von 20 bis 10000 Hz verwendet.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, stimmen die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten CBR-Werte eng mit den CBR-Werten überein, die mit Hilfe eines konventionellen Verfahrens durch direktes Testen der Schichten auf CBR-Werte gewonnen wurden.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können ein Untersuchungsverfahren für unterirdische Schichtbedingungen des Bodens zur Verfügung stellen, ohne die zu untersuchenden Schichten zu zerstören und können außerdem eine Methode zum schnellen und kostengünstigen Untersuchen von unterirdischen Schichtbedingungen des Bodens liefern.

Claims

1. Verfahren zur Untersuchung bzw. Vermessung und Bestimmung von Dicken und Eigenschaften unterirdischer Schichten des Bodens (1) ohne Ausgrabung, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt

a) Positionieren eines Bodenschwingungserzeugers bzw. -vibrators (2) in vorgegebenen Abständen am Boden, wobei der Bodenschwingungserzeuger (2) Schwingungsenergiewellen von vorgegebenen Frequenzen überträgt, und von mehreren Detektoren (3), welche die Schwingungsenergiewellen messen bzw. nachweisen;

b) Anregen des Bodens durch den Bodenschwingungserzeuger (2) bei den vorgegebenen Frequenzen, so daß sich die Schwingungsenergiewellen durch die unterirdischen Schichten ausbreiten können;

c) Messen bzw. Nachweisen der Schwingungsenergiewellen durch die Detektoren (3) und Erzielen von Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Wellen für jede der vorgegebenen Frequenzen;

d) Berechnen der entsprechenden Wellenlängen der vorgegebenen Frequenzen und Bestimmen einer halben Wellenlänge für jede der vorgegebenen Frequenzen;

e) Identifiziren bzw. Gleichsetzen von jeder Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der mittleren Ausbreitungsgeschwindigkeit der entsprechenden Welle, die sich durch den unterirdischen Boden in einer Tiefe ausbreitet, welche der entsprechenden ermittelten halben Wellenlänge entspricht;

f) Bestimmen einer ersten Korrelation zwischen der Tiefe des unterirdischen Bodens und der Ausbreitungsgeschwindigkeit für mehrere Tiefen; und

g) Bestimmen der Schichtstruktur und der Dicke von jeder der unterirdischen Schichten unter Verwendung der ersten Korrelation.

2. Verfahren zur Untersuchung bzw. Vermessung und Bestimmung von Dicken und Eigenschaften unterirdischer Schichten des Bodens ohne Ausgrabung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem die Schritte umfaßt:

a) Bestimmen einer zweiten Korrelation zwischen der Eigenschaft des Materials, das jede der unterirdischen Schichten bildet, und der entsprechenden Wellenausbreitungsgeschwindigkeit; und

b) Bestimmen der Eigenschaft des Materials von jeder der unterirdischen Schichten unter Verwendung der zweiten Korrelation.

3. Verfahren zur Untersuchung bzw. Vermessung und Bestimmung von Dicken und Eigenschaften unterirdischer Schichten des Bodens ohne Ausgrabung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaft des Materials von jeder der unterirdischen Schichten als deren Tragfähigkeitsverhältnis ausgedrückt wird.

4. Verfahren zur Untersuchung bzw. Vermessung und Bestimmung von Dicken und Eigenschaften unterirdischer Schichten des Bodens ohne Ausgrabung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem umfaßt:

a) Erzielen einer mittleren Wellenausbreitungsgeschwindigkeit n für den unterirdischen Boden mit einer Tiefe Dn;

b) Erzielen einer mittleren Wellenausbreitungsgeschwindigkeit n-1 für den unterirdischen Boden mit einer Tiefe Dn-1; und

c) Erzielen der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit Vn-1 für die unterirdische Bodenschicht im Bereich von der Tiefe Dn bis zur Tiefe Dn-1 aus folgender Formel: