-
Verfahren und Vorrichtung zum Ausschneiden von Erdkernen aus dem Boden
Bei Bodenuntersuchungen besteht der Wunsch, lange zusammenhängende Erdkerne mit
unbeschädigte@m Gefüge aus dem Erdboden herausnehmen zu können. Wenn man zu diesem
Zweck ein übliches Bohrrohr in den Erdboden hinabtreibt, zeigt es sich, daß das
Rohr infolge von Reibung und Adhäsion an seiner Innenseite den gebildeten Erdkern
in einem gewissen Ausmaß mit sich nach unten zieht. Dabei wird ein Teil der Erdmasse
unmittelbar unter der unteren Mündung des Rohres nach der Seite gedrückt, anstatt
im Rohr aufgefangen zu werden, und zwar wird die Erdmasse um so mehr nach der Seite
gedrückt, je weicher de Erdmasse ist und je fester und länger der bereits gebildete
Kern ist. Aus diesen Gründen haben .die natürlichen Erdschichten im Kern eine in
unbekannter Weise verminderte Dicke und ein in unbekannter Weise beschädigtes Gefüge.
In den meisten Erdarten können infolgedessen nur sehr kurze Kerne in der angegebenen
Weise ausgeschnitten werden.
-
Versuche zur Behebung dieser Nachteile haben für lange Kerne keine
befriedigenden Ergebnisse geliefert.
-
Gemäß der Erfindung werden die Nachteile dadurch beseitigt, daß man
den Kern ganz oder teilweise von der Innenseite des Bohrers mit Hilfe einer Anzahl
in der Längsrichtung des Bohrers verlaufender, oberhalb des Kernes festgehaltener
Metallfolien isoliert, die in dem Maß als der Bohrer hinabgetrieben wird, allmählich
zwischen die Bohrerwand und den. in den Bohrer eintretenden Kern eingeleitet -,verden,.zum
Zweck der Verhinderung
von Reibung und- Adhäsion zwischen dem Kern
und der Innenseite@des Bohrers wenigstens auf einem Teil der Länge und/oder des
Umfangeg des Bohrers: Beim Hinabtreiben des Bohrers erfolgt eine gleitende Bewegung
zwischen diesem und .den Folien. Die dabei auftretende Reibung verursacht einen
Zug auf die Folien. und deren Verankerung, hat aber keinen. Einfluß auf den Kern.
Sollte der Kern aus irgendeinem Grund die Neigung haben, sich nach oben oder nach
unten zu bewegen, so wird diese Bewegung durch die Reibung und. Adhäsion verhindert,
die in diesem Fall zwischen den Folien und dem Kern entsteht. Reibung und Adhäsion,
die bisher die hauptsächliche Ursache aller Schwierigkeiten waren, werden somit
infolge der Folien zu nützlichen Kräften gemacht, welche die Erdschichten zwingen,
ihre natürliche Dicke und ihr natürliches Gefüge unverändert -beizubehalten, wenn
sie in das Bohrrohr eintreten.
-
In dem Maß als der Kern beim Hinabtreiben des Bohrers durch die Schneide
am unteren Ende des Bohrers gebildet wird, wird jede Folie über, eine Umlenkungskante
oberhalb der Schneide gleichmäßig zwischen die Wand des Bohrers und den Kern- eingeleitet.
Die Folien gelangen zur Umlenkungskänte entweder vom oberen Ende des Bohrers durch
einen Kanal in der Wanddes Bohrers oder von Vorratsrollen, die in eine Ausnehmung
der Wand des Bohrers oberhalb der Umlenkungskante angebracht sind. Die Folien können
entweder auf Spulen oder um sich selbst gewickelt sein.
-
Je nach der Länge; Breite und Dicke der Folien erhalten die Vorratsrollen
verschiedene Abmessungen, die ihrerseits die zweckmäßigste Anordnung der Rollen
im Bohrer bestimmen.
-
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispielt der Erfindung
beschrieben.
-
Fig. i a isst ein lotrechter Querschnitt -des unteren Teiles eines
erfindungsgemäß ausgebildeten Bohrers; Fig. i b zeigt -den Bohrer in einer anderen
Lage; Fig. 2 zeigt den Bohrer mit dem Bohrgestell in kleinerem Maßstab; Fig.3aisteinQuerschnitt
durch denBohrernach der Linie A-A in Fig. -i a; Fig. 3 b und 3 c zeigen ähnliche
Schnitte mit in anderer Weise angeordneten Vorratsrollen; Fig. 4 zeigt eine andere
Ausführung -des Bohrers in lötrechtem Schnitt; Fig. 4a ist ein Schnitt nach der
Linie B-B in Fig. ¢; Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bohrers und
-der Vorratsrollen, während Fig. 5 a einen Schnitt nach der Linie C-C in Fig. 5
darstellt. - .
-
Der Bohrer (besteht aus drei :Hauptteilen, nämlich einem unteren Teil
oder Zylinder, einer oberen Verlängerung des Zylinders, nachstehend Rohr .genannt,
und einem im Zylinder und im Rohr beweglichen Kolben. Der Zylinder besteht aus der
Innenhülse 5, der Außenhülse 9, dem Schneidenhalter 13 und der auswechselbaren Schneide
14. Das Rohr, das rnit Hilfe von Gewindemuffen 2,1 (Fig. 2) aus i bis 2 m langen
Teilen zusammengesetzt isst,- besteht aus einem mit großer Genauigkeit gezogenen
Innenrohr 3 und einem durch Löten od. dgl. damit verbundenen Außenrohr 2. Der Kolben
r2 ist oben mit einer Stange 4 und mit radial beweglichen Sperrgliedern 6 versehen,
die in der Lage gemäß Fig. i a den Kolben iah Zylinder festhalten und in der Lage
gemäß Fig. i b den Kolben freigeben. Die Vorratsrollen 7 befinden sich in Ausnehmungen
der Zylinderwand und werden durch einen Ring 8 in ihrer Lage gehalten. Von den Rollen
laufen die Folien io nach unten zwischen der Außenhülse 9 und der Innenhülse 5,
werden über -die untere Kante der Innenhülse umgelenkt und gehen davon nach oben
zwischen die Innenhülse und den Kolben 12, an dem ihre Enden bei i i befestigt sind.
-
In der in Fing: z a dargestellten Lage wird der Bohrer von der Bodenoberfläche
auf die Tiefe herabgetrieben, in der das Ausschneiden des Kernes beginnen soll.
Darauf wird eine Stange oder Kette 18 in das Rohr 2, 3 herabgelassen. Diese Stange
oder Kette wird mittels des Greifers 22 und der Haken i mit der Stange 4 verbünden;
die aus dem Kolben herausgezogen wird, so daß der Kolben vom Zylinder freigegeben
wird. Daraufhin wird der Kolben mit Hilfe der Kette 18, der Streckeinrichtung 16
und des Bohrgestelles -17 auf gleichbleibender Höhe -gehalten (Fig. 2), während
Idas Rohr und der Zylinder mit Hilfe der Winde 2o nach unten getrieben werden..
Wie Fig. -i b zeigt, wird dabei ein Erdkern ausgestanzt und dabei mit den Folien
)io bekleidet, die sich von den Vorratsrollen 7 abwickeln. Jedesmal -wenn das Röhr
2 zu verlängern ist, wird die Kette 18 mit Hilfe einer besonderen Sperreinrichtung
am obersten Rohrteil 1,9 befestigt, ein neuer Rohrteil 2, 3 aufgesetzt und die Sperreinrichtung
wieder gelöst. Dadurch werden lotrechte. Bewegungen und Änderungen der Spannung
im Erdkern verhindert. Die beschriebene Vorrichtung genügt in der Regel, um den
Kolben auf unveränderter Höhe zu. halten. In gewissen Fällen. muß der Kolben auch
gegen nach oben gerichtete Kräfte gesichert werden. Die Sperreinrichtung wird dann
so ausgebildet, daß auf die Stange 4 eine weitere Stange geschraubt wird, so daß
die Sperrglieder 6 bei Drehung,der Stange um 9o° freigegeben werden. Die Stange
4 erhält dabei eine etwas andere Ausführung als,die in Fig. i gezeigte.
-
Nachdem ein Erdkern gewünschter Länge ausgestanzt würde, wird die
Kette "18 vom Bohrgestell gelöst und am Bohrrohr befestigt. Darauf wird der Bohrer
mit Hilfe der Winde nach oben gezogen, wobei der Kern mitfolgt. Bei üblichen Probebohrern
können bekannte Vorrichtungen verwendet werden, um vor dem Herausziehendes Bohrrohres
.den Kern unten abzuschneiden und um ein Herausfallen des Kernes beim Heraufziehen
des Rohres zu verhindern. Bei bereits ausgeführten Versuchen haben sich derartige
Vorrichtungen sogar beim Arbeiten in reinem Sandunter der Grundwasserfläche als
überflüssig erwiesen.
-
Nach dem Herausziehen des Bohrers wird der Zylinder abgesdhraubt,
gereinigt und mit einem neuen Satz Vorratsrollen versehen, worauf er für
die
nächste Bohrung bereit ist. Mit Hilfe des Kolbens und der Folien wird der Erdkern
aus dem Rohr gezogen und dann von den Folien befreit, die gegebenenfalls erneut
verwendet werden können. Daraufhin wird der Kern besichtigt, und es werden typische
Probestücke herausgeschnitten und in das Laboratorium gesandt. Will man statt .dessen
den ganzen Kern schicken, kann er im Bohrrohr verbleiben, das dann mit Hilfe besonderer
Muffen in für die Verschickung geeignete Längen geteilt wird, deren Enden dichtend
verschlossen werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den in den Folien befindlichen
Kern in ganze oder geteilte Versandrohre unterzubringen.
-
Der Bohrzylinder hat vorteilhaft einen etwas geringeren Innendurchmesser
als das Bohrrohr. Wenn der Kern in das Rohr eintritt, vermindert sich infolge-dessen
der waagerechte Druck und daher auch die Reibung zwischen den Folien und dem Rohr.
In dieser Weise wird der Zug auf die Folien wirksam vermindert, so daß sehr lange
Kerne auf einmal erhalten werden können. Zu demselben Zweck ist eine Schmierung
zwischen den Folien und der Rohrwand von Vorteil.
-
Der Bohrer kanngemäß Fig. a in den Boden eingetrieben oder auch hinabgeschlagen
werden. In festem Boden kann es notwendig sein, ein weiteres Futterrohr zu verwenden
und .die zwischen das Bohrrohr und das Futterrohr gelangende Erde durch Spülen mit
Wasser oder eine andere bekannte Art zu entfernen. Dabei ist darauf zu achten, daß
die Erde unter dem Kern nicht beschädigt wird.
-
Die Vorrichtung gemäß Fig. i läßt sich dadurch vereinfachen, daß die
Umlenkungskante in Wegfall kommt und die Folien von: den Vorratsrollen unmittelbar
zum Kern an einer Stelle oberhalb der Vorratsrollen gehen. Damit in diesem Fall
der Kern nicht allzu lang an der Rohrwand zu gleiten braucht, ehe er auf die Folien
trifft, kann das Rohr zwischen den Vorratsrollen und der Schneide verkürzt werden.
Dabei ist es kein Nachteil, daß die Schneide sehr stumpf wird, falls das obenerwähnte
Futterrohr verwendet wird.
-
Der in Fig. i dargestellte Bohrer kann beispielsweise einen inneren
Durchmesser von 6 cm haben und acht 0,03 bis o,o5 dicke Folien aus Stahl
oder einem anderen geeigneten Metall können dabei verwendet werden. Mit diesem Bohrer
kann man sehr lange, z. B. 6 m oder mehr, unbeschädigte Kerne aus Erdschichten herausschneiden,
die zwischen Schlamm, Lehm und festem Sand wechseln, was bisher nicht möglich war.
-
Mit einem Bohrer, der 6 m lange Kerne ausschneiden kann, läßt sich
auf folgende Weise verfahren. Der erste Kern reicht von der Bodenfläche bis zu einer
Tiefe von -6 m, der zweite in einem danebenliegenden Loch von -5,5 bis -ii,5 m,
der drittf in dem ersten Loch von -i i biss -i7 m usw. Dank dieser Überlappung kann
man die stets etwas beschädigten Enden der Kerne abschneiden und einen einzigen
fehlerfreien Kern zusammenstellen, der von der Oberfläche bis zum festen Grund reicht.
Die Vorratsrollen können beispielsweise waagerechte geometrIsche Achsen haben, die
-entweder gemäß Fig. 3 a tangential im Verhältnis zum Bohrer verlaufen odergemäß
Fig. 3b radial oder mehr oder weniger schräg gemäß Fig. 3 c liegen. In den Fällen
nach Fig: 3 b und 3 c, wo die Achsen der Rollen den Bohrer schneiden, lassen sich,
größere Rollen, also längere Folien, innerhalb eines kleineren Gesamtdurchmessers
unterbringen. Die Vorratsrollen können auch gemäß Fig. 5 mit lotrechter Achse und
gleichachsig zum Bohrer angebracht werden, wobei die von den Vorratsrollen in waagerechter
Richtung kommenden Folien über eine Lenkrolle nach unten gelenkt werden, die unter
einem Winkel von 45' angebracht ist. Dabei müssen die Folien so geführt werden,
daß sie sich nicht seitlich verschieben.
-
Die verschiedenen Vorratsrollen können in den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 3 a und 3 c in gleicher Höhe oberhalb der unteren Mündung des Bohrrohres
liegen. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 können sie dagegen in zwei bis vier
verschiedenen Höhenlagen angebracht werden, und beim Beispiel gemäß Fig. 5 sind
alle Rollen in verschiedenen Höhen angeordnet.
-
Nahe der Umlenkungskante werden die Folien etwas bucklig,- und zwar
um so mehr je breiter sie im Verhältnis zum Kern sind. Versuche mit Stahlfolien
bei einem Kerndurchmesser von 6 cm haben gezeigt, daß die Folie nicht breiter sein
soll als etwa q. cm. In diesem Beispiel müssen daher mindestens sechs Folien verwendet
werden, falls man den ganzen Umfang des Kernes decken will. Dies ist jedoch nicht
notwendig, und es ist im Gegenteil zweckmäßig, zwischen den benachbarten Folien
einen kleinen Zwischenraum vorzusehen, so,daß die Folien nicht in Berührung miteinander
kommen, wodurch sie an den Kanten leicht beschädigt werden könnten. Andererseits
ist es denkbar, eine größere Anzahl von Folien anzuordnen, so daß die Wandstärke
des Bohrers vermindert werden kann und das Gefüge des Erdkernes weniger beschädigt
wird.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. q. und d.a ist das Innenrohr
5 mit Führungsleisten a9 für die Folien versehen, wobei sich diese Leisten vorzugsweise
am Außenrohr 9 abstützen. Diese Ausbildung ist hauptsächlich für den Fall vorgesehen,
wo die Folien vom oberen Ende des Bohrers zur Umlenkungskante geleitet werden.
-
Mit den Anordnungen nach Fig. 3 b, q. und 5 können sehr lange Folien
untergebracht werden, so daß jeder Kern auf einmal von der Bodenoberfläche bis zum
festen Grund ausgeschnitten werden kann. Dabei ist die beschriebene Sperreinrichtung
zwischen Kolben und Zylinder nicht nötig. Statt dessen sind Maßnahmen vorzusehen,
um den Kern beim Herausziehen in gewünschte Längen zu unterteilen.