DE4328540A1

DE4328540A1 - Verfahren zur Bestimmung von Verformungskennziffern von Bau- und Deponiestoffen, Vorrichtung zur Durchführung

Info

Publication number: DE4328540A1
Application number: DE19934328540
Authority: DE
Inventors: Georg Rademaker
Original assignee: INTERFELS GmbH
Current assignee: INTERFELS GmbH
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2013-08-26
Also published as: DE4328540C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Verformungskennziffern von Bau- und Deponiestoffen wie Lockergesteine, Festgesteine und Schüttungen durch Aufweitung eines in diese Stoffe eingelassenen Bohrloches unter einer definierten Kraft sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bereits bekannt.

In der Druckschrift "Proceedings of the Tenth U.S. Symposium on Rock Mechanics (1970)" wird unter dem Titel "Measurement of Rock Deformability in Boreholes" von R. E. Goodman et al. ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Bohrloch mittels parallel geschalteter hydraulischer Zylinder aufgeweitet wird. Die Hydraulik-Zylinder wirken dabei unmittelbar auf zwei diametral gegenüberliegende halbzylindrische Lastplatten, die den Kontakt mit der Bohrlochwand herstellen und diese gerichtet belasten. Die mit der Belastung einhergehende Bohrlochaufweitung wird als Änderung des Lastplattenabstandes gemessen.

Als nachteilig hat sich bei diesem Verfahren herausgestellt, daß infolge örtlich unterschiedlicher Reaktionswiderstände des Prüfstoffes die Lastplatten im Verlauf der Bohrlochaufweitung aus ihrer Parallelstellung zueinander ausgelenkt werden und verkanten. Daraus entstehen unkontrollierte Zwängungen in dem verfahrensgemäßen Versuchsgerät, was zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führt. Dies erfordert eine vergleichsweise aufwendige Ausgestaltung der Meßvorrichtung, insbesondere erfolgt die Messung des Lastplattenabstands an mehreren Punkten. Um einen repräsentativen Meßwert zu erhalten, sind Mittelungs- und Approximationsverfahren notwendig. Dadurch werden die Kosten einer Messung nicht unerheblich erhöht.

In der Druckschrift "Erfahrungen mit der Stuttgarter Seitendrucksonde", veröffentlicht in der "Mitteilung Nr. 13 des Baugrundinstituts Stuttgart (1980)", wird eine verfahrensgemäße Vorrichtung beschrieben, welche den Einsatz in relativ verformbaren Prüfstoffen wie Lockergesteinen zum Ziel hat. Die Vorrichtung weist im wesentlichen einen einzelnen hydraulischen Zylinder auf, welcher unmittelbar auf zwei gegenüberliegende, jeweils gelenkig gelagerte Lastplatten wirkt und diese gegen die Bohrlochwand drückt.

Als nachteilig hat sich bei dieser Vorrichtung herausgestellt, daß die Lastplatten verkanten, was eine Bergung der Vorrichtung aus dem Bohrloch erschwert oder gar ihren Verlust im Bohrloch zur Folge hat. Die Auslenkung der Lastplatten aus ihrer Parallelstellung zueinander verfälscht die erhaltenen Meßergebnisse, was umfangreiche, zeit- und kostenaufwendige Korrekturrechnungen zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren einzuführen, welches unabhängig vom Reaktionswiderstand des Prüfstoffes ohne größere Vorarbeiten und Bergungsarbeiten anwendbar ist und genaue, ohne aufwendige Korrekturen direkt verwertbare Meßergebnisse liefert sowie die Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die für eine Bohrlochaufweitung erforderliche definierte Kraft wirksam in Richtung der Bohrlochlängsachse erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Druck- oder Zugzylinder 1 auf, mit dem eine definierte, in Richtung der Bohrlochlängsachse wirksame Kraft erzeugbar ist.

In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne jede Vorarbeiten in jedem Bohrloch üblichen Durchmessers durchgeführt werden. Die Erzeugung der für eine Bohrlochaufweitung erforderlichen definierten Kraft in Richtung der Bohrlochlängsachse ermöglicht eine homogene Übertragung derselben auf die gesamte Meßfläche. Es ist lediglich ein einzelner Druckzylinder erforderlich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in das Bohrloch eingeführt. Die in Richtung der Bohrlochlängsachse wirksame definierte Kraft ist gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche der Lastplatten übertragbar, so daß diese auch bei inhomogenen Prüfstoffen ihre zueinander parallele Ausrichtung beibehalten. Ein Verkanten mit nachfolgender aufwendiger Bergung der Vorrichtung entfällt. Die Verfälschung von Meßwerten durch seitliche Auslenkungen wird vermieden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine in Richtung einer Bohrlochlängsachse wirksame, definierte Kraft erzeugt. Diese wird über gelenkig gelagerte Hebel in radiale Bohrlochrichtung umgelenkt. Die umgelenkte, definierte Kraft wird gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche wenigstens zweier einander gegenüberliegender Lastplatten übertragen. Unabhängig von dem Reaktionswiderstand des Prüfstoffes weiten sich die Lastplatten auf, wobei die Parallelstellung der Lastplatten zueinander immer erhalten bleibt. Die Änderung des Lastplattenabstandes unter Einwirkung der über die gelenkig gelagerten Hebel umgelenkten Kraft wird indirekt in Abhängigkeit von der Auslenkung des Zylinderkolbens eines die definierte Kraft erzeugenden Druck- oder Zugzylinders bestimmt. Unter Verwendung einer elektronischen Datenverarbeitung und vor der Messung aufgenommener Kalibrierkurven lassen sich die entsprechenden Werte für die Änderung des Lastplattenabstandes einfach und genau ermitteln.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beschrieben. Fig. 1 der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung im Längsschnitt, Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die gleiche Vorrichtung im Querschnitt in aufgeweitertem Zustand. Fig. 3 zeigt die Vorrichtung in schematischer Darstellung im Längsschnitt in aufgeweitetem Zustand. Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung die Vorrichtung aus Fig. 1 um 90° gedreht.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen aus einem Druck- oder Zugzylinder 1, wenigstens zwei diametral entgegengesetzt angeordneten Lastplatten 2, einem Schlußstück 3 und gelenkig gelagerten Hebeln 4.

Jeder der gelenkig gelagerten Hebel 4 ist mit seinem einen Ende fest und dennoch um den Befestigungspunkt frei drehbar mit einer der Lastplatten 2 verbunden. Mit seinem anderen Ende ist jeder der gelenkig gelagerten Hebel 4 fest und dennoch frei um seinen Befestigungspunkt drehbar mit einer Schieberstange 6 verbunden. Die Schieberstange 6 ist mit der Kolbenstange 5 des Druck- oder Zugzylinders 1 verbunden. Eine von dem Druck- oder Zugzylinder 1 über die Schieberstange 6 auf die gelenkig gelagerten Hebel 4 ausgeübte definierte Kraft ist gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche der Lastplatten 2 übertragbar. Diese Situation zeigt Fig. 3.

Die beiden in Fig. 4 dargestellten Führungsstangen 12 neben der Schieberstange 6 sind als Widerlager der gelenkig gelagerten Hebel 4 ausgebildet und verhindern Stauchungs- und Dehnungseffekte der Vorrichtung bei Belastung. Die Führungsstangen 12 sind mit ihrem einen Ende mittels Verschraubung oder einer anderen lösbaren Verbindung mit dem Schlußstück 3 fest verbunden. Das entgegengesetzte Ende der Führungsstangen 12 ist mittels Verschraubung oder einer anderen lösbaren Verbindung fest mit dem Gehäuse 13 des Druck- oder Zugzylinders 1 verbunden.

Wie in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt, sind die Lastplatten 2 als Vollzylinderhälften ausgebildet. Sie weisen an ihren einander zugewandten Innenflächen 7 wenigstens zwei sich über die gesamte Länge der Lastplatten 2 erstreckende im Querschnitt rechteckige und mit der einen Stirnseite zu den Innenflächen 7 der Lastplatten 2 offene Vertiefungen 8 auf, in welche zur Verminderung des Durchmessers der Vorrichtung die Schieberstange 6 mit den gelenkig gelagerten Hebeln 4 eingelagert ist.

In einer weiteren in Fig. 2 dargestellten Ausgestaltung weisen die Lastplatten 2 der Vorrichtung entlang jeder Längskante einen die seitliche Verlängerung der Halbzylinderform der Lastplatten 2 bildenden Steg 9 auf. Die Lastplatten 2 sind mit ihren Stegen 9 dicht schließend ineinander verschiebbar angeordnet. Bei einer Änderung des Abstandes der Lastplatten 2 unter Einwirkung einer definierten Kraft bleibt der aus den Lastplatten 2 gebildete Vollzylinder dicht geschlossen. Das Eindringen von Schlamm wird so während der Messung vermieden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist wenigstens einen Wegaufnehmer 10 auf, mit dem eine Auslenkung der Kolbenstange 5 des Druck- oder Zugzylinders 1 meßbar ist. Die Änderung des Abstandes der Lastplatten 2 ist indirekt meßbar. Vorteilhafterweise ist der Wegaufnehmer 10 ein Sonar-Wegaufnehmer.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens einen, in der Zeichnung nicht dargestellten, zusätzlichen, zwischen den Lastplatten 2 angeordneten Wegaufnehmer zur direkten Messung der Änderung des Abstandes der Lastplatten 2 als Kontrollmöglichkeit der Formstabilität der Vorrichtung während einer Messung auf.

Das Schlußstück 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Siebplatte 11 an seinem unteren Ende auf, wodurch eventuell während der Messung eingedrungene Verunreinigungen ausspülbar sind.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von Verformungskennziffern von Bau- und Deponiestoffen, wie Lockergesteine, Festgesteine und Schüttungen, durch Aufweitung eines in diese Stoffe eingelassenen Bohrlochs unter einer definierten Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß eine definierte Kraft wirksam in Richtung der Bohrlochlängsachse erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Bohrlochlängsachse gerichtete definierte Kraft über gelenkig gelagerte Hebel (4) quer zur Bohrlochlängsachse in radiale Bohrlochrichtung umgelenkt wird.

3. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels gelenkig gelagerter Hebel (4) umgelenkte definierte Kraft auf wenigstens zwei gegenüberliegende Lastplatten (2) gleichmäßig übertragen wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Lastplatten (2) unabhängig vom Reaktionswiderstand des Prüfstoffes sich immer in Parallelstellung zueinander aufweiten.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Einwirkung einer definierten Kraft bewirkte Änderung des Abstandes der Lastplatten (2) indirekt in Abhängigkeit von der Auslenkung des Zylinderkolbens (5) eines die definierte Kraft erzeugenden Druck- oder Zugzylinders (1) bestimmt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung wenigstens einen Druck- oder Zugzylinder (1) aufweist und daß mit diesem Zylinder eine definierte, in Richtung der Längsachse eines Bohrloches gerichtete Kraft erzeugbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Schieberstange (6) aufweist und daß die Schieberstange (6) mit der Kolbenstange (5) eines Druck- oder Zugzylinders (1) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung wenigstens zwei diametral entgegengesetzt angeordnete Lastplatten (2) aufweist.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung gelenkig gelagerte Hebel (4) aufweist, daß die gelenkig gelagerten Hebel (4) mit ihrem einen Ende fest und dennoch frei drehbar um den Befestigungspunkt mit einer der Lastplatten (2) verbunden sind und daß die gelenkig gelagerten Hebel (4) mit ihrem anderen Ende fest und dennoch um den Befestigungspunkt frei drehbar mit der Schieberstange (6) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß über die Schieberstange (6) eine durch einen Druck- oder Zugzylinder (1) erzeugbare definierte Kraft auf die gelenkig gelagerten Hebel (4) ausübbar ist.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die gelenkig gelagerten Hebel (4) ausgeübte definierte Kraft gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche der Lastplatten (2) übertragbar ist.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastplatten (2) die Form von Vollzylinderhälften aufweisen.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastplatten (2) an ihren einander zugewandten Innenflächen (7) wenigstens zwei sich über die gesamte Länge der Lastplatten (2) erstreckende im Querschnitt rechteckige und mit der einen Stirnseite zu der Lastplatteninnenfläche (7) offene Vertiefungen (8) aufweisen.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastplatten (2) entlang jeder Längskante einen die seitliche Verlängerung der Halbzylinderform der Lastplatten bildenden überstehenden Steg (9) aufweisen.

15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastplatten (2) mit ihren Stegen (9) seitlich dicht schließend ineinander verschiebbar angeordnet sind und daß der aus den Lastplatten (2) gebildete Vollzylinder bei Einwirkung einer definierten Kraft entlang der Längskanten der Lastplatten (2) bei Änderung des Lastplattenabstandes dicht verschlossen ist.

16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung wenigstens einen Wegaufnehmer (10) aufweist und daß mit dem Wegaufnehmer (10) eine Änderung der Auslenkung der Kolbenstange (5) anzeigbar ist.

17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung wenigstens einen Wegaufnehmer (10) zwischen den Lastplatten aufweist (2), und daß mit diesem Wegaufnehmer (10) die Änderung des Abstandes der Lastplatten (2) direkt meßbar ist.

18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer (10) ein Sonar-Wegaufnehmer ist.

19. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Schlußstück (3) an seinem dem Bohrlochgrund zugewandten Ende aufweist.

20. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in dem unteren Ende des Schlußstückes (3) eine Siebplatte (11) angebracht ist.

21. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung wenigstens zwei Führungsstangen (12) aufweist.

22. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstangen (12) mit dem Schlußstück (3) durch Verschraubung oder eine andere lösbare Verbindung fest verbunden sind.

23. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstangen (12) seitlich entlang den gelenkig gelagerten Hebeln (4) in den Vertiefungen (8) der Lastplatten (2) geführt sind, und daß die Führungsstangen (12) mit ihrem dem Schlußstück (3) abgewandten Ende fest mittels einer Verschraubung oder einer anderen lösbaren Verbindung mit dem Gehäuse (13) des Druck- oder Zugzylinders (1) verbunden sind.