DE2548604C2 - Sonde und Verfahren zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten an Ort und Stelle, mit einem Sondenkörper, insbesondere in Form eines Parallelepipeds, dessen vorderes Ende mit einer Spitze versehen ist, mit einer im Sondenkörper ausgebildeten Druckkamer, mit zwei einander gegenüberliegenden, in der Außenwand des Sondenkörpers ausgebildeten Radialöffnungen, mit zwei in ihrem Randbereich fest mit dem Sondenkörper verbundenen Rahmen aus Metall, von denen mindestens ein Teil radial versetzbar ist, mit Einrichtungen zum Zuführen eines Druckmittels der Druckkammer und mit elektrischen Einrichtungen, durch welche die Radialbewegung der Membranen über elektrische Kontakte meßbar ist.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten an Ort und Stelle durch Eintreiben einer Sonde der voranstehend genannten Art in das Erdreich, bei dem (Verfahren) ein Druckmittel in eine Druckkammer eingeführt wird und zwei einander gegenüberliegende Membranen gegen die Erdschicht angedrückt werden, wobei mit dem zugeführten Druckmittel zunächst der von der Erdschicht auf die Membranen ausgeübte Druck ausgeglichen und anschließend der Druck in der Druckkammer so weit erhöht wird, daß nunmehr von den sich zumindest teilweise radial versetzenden Membranen Druck auf die Erdschicht ausgeübt wird, wobei eine radiale Verschiebung von zumindest Teilen der Membranen erfolgt, deren Größe elektrisch gemessen

|j§ Die Bedeutung von Messungen, mit denen die Verp| formbarkeit von Erdschichten so genau, wie nur irgend-M-wie möglich, durchgeführt wird, ist allgemein bekannt feund anerkannt. Besonders bedeutsam ist be: diesen H Messungen deren Reproduzierbarkeit Es ist daher zu ϊ| fordern, daß diese Messungen so gering wie möglich U von den Mitteln beeinflußt sind, mit denen die Messungen durchgeführt werden.

^; Die Messung der Verformbarkeit von Erdschichten n! wird heute vielfach mit Hilfe eines Gerätes durchge- ?·"' führt, welches als »Presso-Meter« bezeichnet wird und , welches elastische bzw. dehnbare Strukturen aufweist, ''<■' die auf allen Seiten Druck innerhalb einer Ausnehmung ·. im Boden ausüben, in welcher das Gerät eingebracht ist Die Arbeitsweise diesf.r bekannten Einrichtungen be- \■·; ruht auf der Ausnutzung von akustischen Wellen, wobei £,; eine genaue Messung große Sorgfalt voraussetzt und ■r sehr viel Zeit in Anspruch nimmt Bei der Anwendung ;■; dieser Einrichtungen ist eine reproduzierbare Messung \\ äußerst schwierig.

Bekannt sind weiterhin Eindrucktiefenmesser bzw. Penetrationsmesser, die keine akustischen Wellen ver-. wenden. Diese Einrichtungen sind jedoch eher dazu bestimmt um den Boden aufzuspalten bzw. aufzubrechen, als die Verformbarkeit des Bodens bzw. einer Erdschicht zu bestimmen.

Bekannt sind weiterhin Sonden zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten an Ort und Stelle (US-PS 28 24 445 und US-PS 35 72 114), die einen am vorderen Ende mit einer Spitze versehenen Sondenkörper aufweisen, in welchem eine mit einem hydraulischen Medi-, um aufschlagbare Druckkammer gebildet ist und welcher in seiner Außenwandung in zwei dort vorgesehenen, einander gegenüberliegenden Radialöffnungen mit jeweils einer mit dem Sondenkörper verbundenen und die betreffende öffnung abschließenden Membran aus Metall versehen ist Weiterhin besitzen diese bekannten Sonden elektrische Einrichtungen in Form von Dehnungsmeßstreifen, die in Abhängigkeit von der Relativbewegung bzw. der Verformung der Membranen bei der Beaufschlagung der Druckkammern mit dem hydraulischen Medium ein elektrisches Signal liefern. Durch die Verwendung mehrerer Dehnungsmeßstreifen und teilweise auch durch die Verwendung mehrerer, diese Dehnungsmeßstreifen tragender, verformbarer Hilfselemente, die mit den Membranen zusammenwirken, weisen die bekannten Sonden einen relativ aufwendigen Aufbau auf und sind vor allem auch hinsichtlich der konstruktiven und verfahrenstechnischen Maßnahmen, die zum Ausgleich des Druckes zwischen der gegendrückenden Erdschicht und dem Druck in der Druckkammer in der Sonde nach dem Einbringen der Sonde in die Erdschicht erforderlich sind, relativ aufwendig. Nachteilig ist bei den bekannten Sonden weiterhin auch, daß der Sondenkörper im Bereich der Membranen keine sich mit der übrigen Außenfläche des Sondenkörpers kontinuierlich fortsetzende Außenfläche bildet, wodurch sich beim Einbringen der Sonde in den Boden bzw. in eine Erdschicht eine permanente Verformung des Bodens ergibt, die die Messungen bzw. deren Ergebnisse negativ beeinflussen.

Beim Messen der Verformbarkeit von Erdschichten wird das Druckmittel in Form einer hydraulischen Flüssigkeit in die Druckkammer der betreffenden Sonde eingeführt und die Membranen hierdurch gegen die Erdschicht angedrückt. Mit dem Druckmittel wird zunächst der von der Erdschicht auf die Membranen ausgeübte Druck ausgeglichen, und zwar bei einer teilweisen radialen Bewegung der Membranen. Anschließend wird der Druck weiter erhöht mit der Folge einer weiteren radialen Bewegung zumindest von Teilen der Membranen nach außen, wobei die Größe dieser weiteren Bewegung elektrisch gemessen und hieraus die Verformbarkeit der zu messenden Erdschicht bestimmt wird.

Bekannt sind weiterhin Sonden zur Messung der Verformbarkeit von Erdschichten ähnlicher Art (DE-OS 17 58 321, DE-AS 12 98 479, DE-AS 12 12 015 und DD-PS 1 02 435), die jedoch keine elektrische Einrichtung zur Messung der Radialbewegung der Membranen aufweisen und die daher auch kein ON-LIN Ε-Messung gestatten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zunächst eine Sonde der eingangs geschilderten Art aufzuzeigen, die einen vereinfachten Aufbau aufweist

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Sonde der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäß so ausgebildet daß die elektrischen Einrichtungen zum Messen der Radialbewegung der Membranen an die Innenseite der Membranen anlegbare elektrische Kontakte umfassen, von denen die Membranen abnehmbar sind, und daß die Radialöffnungen in der Außenwand des Sondenkörpers innenseitig mit der Druckkammer in Verbindung stehen sowie außenseitig von den Membranen überdeckt sind, wobei der Verbindungsbereich der Membranen mit dem Sondenkörper radial unverschieblich bezüglich der Sondcnlängsachse gehalten ist.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten an Ort und Stelle durch Eintreiben einer Sonde nach der Erfindung in das Erdreich aufzuzeigen, welches (Verfahren) sich durch eine besonders einfache elektrische Meßdurchführung auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der geschilderten Art erfindungsgemäß so ausgestaltet, daß die Verformbarkeit der Erdschicht durch eine Radialverschiebung von Teilen der Membranen gegenüber am Sondenkörper fest angeordneten elektrischen Kontakten gemessen und Luft als Druckmittel verwendet wird, wobei ein Ausgleich des Druckes zwischen der gegendrückenden Erdschicht und dem Druck in der Druckkammer der Sonde in der entsprechenden Relativstellung von Membranen und elektrischen Kontakten eine Auslaßöffnung in einem rückseitig mit der einen Membran verbundenen und einem mit seiner Stirnseite an der gegenüberliegenden Membran befestigten kolbenführenden Zylinder öffnet, durch die überschüssige Luft aus der Druckkammer nach außen hin abgelassen wird.

Die erfindungsgemäße Sonde gestattet bei einfachem Aufbau eine einfache Handhabung bzw. eine einfache Durchführung des Verfahrens zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten, wobei durch die Verwendung von elektrischen Einrichtungen vor allem auch eine ON-LINE-Messung möglich ist. Grundsätzlich liefert die erfindungsgemäße Sonde reproduzierbare Ergebnisse. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Sonde besteht auch darin, daß diese leicht in die zu messende Erdschicht einbringbar ist.

Die Sonde ist vorzugsweise mit Elementen versehen, um sie mit herkömmlichen Stangen oder Rohren zum Eindrücken bzw. Eintreiben verbinden zu können, wobei diese Stangen oder Rohre einen Querschnitt aufweisen, der dem Querschnitt der Sonde ähnlich ist oder aber von dem Querschnitt der Sonde abweicht. Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, als Mittel zum Ein-

drücken bzw. Einbringen der Sonde Elemente zu verwenden, die für diesen Zweck beispielsweise bereits bei bekannten Sonden zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten, beispielsweise bei Penetrationsmessern verwendet werden, wodurch die Kosten wesentlich reduziert werden können.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgerriäßen Sonde mit einem quaderförmigen Sondenkörper, und F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie I-I der F i g. 1.

In der F i g. 1 ist der Körper 1 einer Sonde gezeigt, welcher mit einer Spitze versehen ist, um das Einführen, Eindrücken usw. der Sonde in den Boden bzw. in das Gelände zu gestatten. Innerhalb der Sonde ist eine im wesentlichen zylinderförmige Druckkammer 2 vorgesehen, die eine horizontale Achse aufweist und die an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Sondenkörpers jeweils eine nach außen führende kreisförmige Öffnung 3 besitzt. Konzentrisch um jede kreisförmige Öffnung 3 ist ein ringförmiger Schlitz 4 vorgesehen, in welchem jeweils wenigstens ein Befestigungsflansch untergebracht werden kann, wie dies weiter unten noch beschrieben wird.

Die Oberfläche 5 des Sondenkörpers, die zwischen der jeweiligen kreisförmigen öffnung 3 und dem Schlitz 4 liegt, ist gegenüber der Oberfläche 6 des Sondenkörpers etwa um die Dicke einer Membran 7 leicht versetzt. Die Membranen 7 sind jeweils kappen- oder becherförmig ausgebildet, bestehen aus Metall und werden an Dichtungen 9 angedrückt, die sich am Boden der ringförmigen Schlitze 4 befinden. Die Membranen 7 werden dort durch Schrauben und Metallflansche 8 festgehalten. die in den Schlitzen 4 im Bereich der offenen Schlitzseite untergebracht sind. Diese Ausbildung stellt sicher, daß die Membranen 7 kein Hindernis beim Einbringen der Sonde in den Boden bzw. in das Gelände darstellen.

In den Öffnungen 3 in dem Gehäuse bzw. in dem Sondenkörper, der bzw. die speziell für diesen Zweck hergestellt ist bzw. sind, ist jeweils eine Scheibe 10 aus isolierendem Material angeordnet, wobei diese Scheiben eine innere Fläche zum Abstützen und zum Schutz der Membranen bilden und gleichzeitig eine Entladeventilanordnung tragen und an Ort und Stelle halten.

Die Öffnungen 3 sind im wesentlichen mit einem kleinen Zylinder ti ausgestattet, welcher an einem Ende geschlossen ist und mit einer Eintrittsöffnung 12 sowie mit einer Austrittsdüse 13 für Luft versehen ist. Innerhalb des Zylinders 11 ist ein kleiner Kolben !5 angeordnet, der sich frei, jedoch abdichtend innerhalb des Zylinders 11 verschieben kann und der eine gewundene Druckfeder 16 zusammendrückt, die zwischen dem inneren Ende des Kolbens 15 sowie des geschlossenen Endes des Zylinders 11 angeordnet ist. Das andere Ende des Kolbens 15 sowie die Außenfläche des geschlossenen Endes des Zylinders 11 reichen durch zentrale Radialbohrungen der Scheiben 10 hindurch und liegen gegen die Innenflächen der Membranen 7 an.

Durch die Scheiben 10 aus isolierendem Material reichen zwei stiftförmige Kontakte χ und y hindurch, die einen elektrischen Kontakt mit den Membranen 7 herstellen. Die beiden Kontakte sind über dünne elektrisehe Verbindungsdrähte bzw. Kabel mit einer zentralen Schalt- bzw. Bedienungseinrichtung verbunden, die außerhalb angeordnet ist Die Auslaßdüse 13 ist über ein dünnes Rohr 17 aus Metall oder Plastik mit der Außen seite bzw. der Umgebung verbunden, während über ei ne Leitung 18 Druckluft in die Druckkammer 2 züge führt werden kann.

Stangen bzw. Rohre zum Vortrieb bzw. zum Eindrük ken der Sonde, die auch für andere Sondentypen allge mein verwendet werden, können an der Oberseite dei beschriebenen Sonde befestigt werden, wenn diese die Oberfläche des Geländes durchdringt bzw. in den Boder des Geländes eingedrückt bzw. -getrieben wird.

Diese Stangen bzw. Rohre sind in ihrem Inneren se ausgestaltet, daß sie Leitungen zum Zu- und Abführer der Luft sowie elektrische Kabel für die elektrischer Kontakte aufnehmen können, wobei diese Leitunger mit üblichen Mitteln mit der Leitung 18 bzw. dem Rohi 17 und die elektrischen Kabel mit den Kontakten χ unc /verbunden werden können.

Die Steuer- bzw. Bedienungseinrichtung wird an dei Oberfläche des Geländes angeordnet und besitzt eine Druckquelle, die durch Zwischenschaltung beispielsweise eines Stiftventils das Zuführen von Luft oder Gas gestattet, wobei der Druck dieser Luft bzw. dieses Gases mit Hilfe eines Manometers kontrolliert wird. Dieses nicht näher dargestellte Manometer ist ebenfalls in der Bedienungs- bzw. Steuereinrichtung angeordnet und über eine Druckleitung mit dem Steuerkabel verbunden. Die Steuer- bzw. Bedienungseinrichtung besitzt weiterhin eine Batterie bzw. eine elektrische Spannungs- oder Stromquelle, die zwei Anzeigeeinrichtungen, vorzugsweise zwei Leuchtanzeigen betätigt, wenn die beiden elektrischen Verbindungsleitungen des Steuerkabels einen Kurzschluß mit dem Block bzw. dem Material in der Nähe der Spitze bilden.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Einrichtung beschrieben. Nachdem die Spitze der Sonde in den Boden bis zur angestrebten Tiefe eingedrückt wurde, wird Druckluft allmählich über die Leitung 18 in die Druckkammer 2 eingeführt. Diese Druckluft wirkt auf die Membranen 7 ein, und in kurzer Zeit wird ein Gegendruck des Geländes in umgekehrter Richtung auf die Membranen 7 einwirken. Sobald das Eindrücken bzw. der Druck des Geländes ausgeglichen ist, wird eine geringfügige Erhöhung des Innendruckes dazu führen, daß die Membranen 7 sich nach außen bewegen. Sobald dies eintritt, heben sich die Membranen von den stiftförmigen Kontakten χ und y ab und unterbrechen den elektrischen Stromkreis, wodurch in der zentralen Bedienungs- bzw. Steuereinrichtung der Beginn der Membranbewegung angezeigt wird.

Durch Ablesen des Druckwertes ρ 1 am Manometer in diesem Augenblick ist der Druck, der im Gelände vor dem Bewegen der Membranen erzeugt wurde, bekannt Beim weiteren Zuführen von Druckluft bzw. Druckgas werden die Membranen ausgelenkt bzw. nach außen gedruckt und die Feder 16 im Zylinder 11 drückt den kleinen Kolben 15 zur Seite, der dann der in Fig.2 gezeigten linken Membran folgt während der kleine Zylinder 11 der Bewegung der rechten Membran folgt Wird die Zufuhr von Luft weiter aufrechterhalten, so bewegen sich die beiden Membranen 7 soweit auseinander, daß die Innenseite bzw. das innere Ende des Kolbens 15 die Auslaßöffnung bzw. Düse 13 freigibt In diesem Augenblick entsteht ein Gleichgewichtszustand zwischen dem inneren und dem äußeren Druck, welch letzterer durch den Widerstand des Geländes hervorgerufen wird, wobei die Überschüssige zugeführte Luft durch die Auslaßdüse 13 entweicht Dieser Zustand wird in der zentralen Bedienungs- bzw. Steuereinrichtung

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durch das dort vorgesehene Manometer durch einen konstanten Druckwert ρ 2 innerhalb der Druckkammer 2 angezeigt.

Aus der Differenz der Druckwerte ρ 1 und ρ 2 sowie aus dem Abstand zwischen den Membranen läßt sich 5 nun der Wert des Moduls für die Verformbarkeit des Geländes entsprechend der Theorie von Platten, die sich auf einem elastischen Untergrund abstützen, berechnen.

Es ist selbstverständlich, daß das System der Druckentlastung bzw. des Druckausgleichs sowie der Auslen- 10 kung auch auf andere Weise realisiert werden kann. Es ist auch möglich, die Druckentlastung bzw. den Druckausgleich kontinuierlich bzw. fortlaufend auszuführen, j

wobei die Druck-Auslenkungskurven einen Auslen- |

kungsumsetzer für das pneumatische System und die 15 elektrischen Kontakte ersetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. Sonde zum Messen der Verformbarkeit von Erdschichten an Ort und Stelle, mit einem Sondenkörper, insbesondere in Form eines Parallelepipeds, dessen vorderes Ende mit einer Spitze versehen isi, mit einer im Sondenkörper ausgebildeten Druckkammer, mit zwei einander gegenüberliegenden, in der Außenwand des Sondenkörpers ausgebildeten Radialöffnungen, mit zwei in ihrem Randbereich fest mit dem Sondenkörper verbundenen Membranen aus Metall, von denen zumindest ein Teil radial versetzbar ist, mit Einrichtungen zum Zuführen eines Druckmittels zur Druckkammer und mit elektrischen Einrichtungen, durch welche die Radialbewegung der Membranen über elektrische Kontakte meßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Einrichtungen zum Messen der Radialbewegung der Membranen (7) an die Innenseite der Membranen anlegbare elektrische Kontakte (x, y) umfassen, von denen die Membranen (7) abhebbar sind, und daß die Radialöffnungen (3) in der Außenwand des Sondenkörpers (1) innenseitig mit der Druckkammer (2) in Verbindung stehen sowie außenseitig von den Membranen (7) überdeckt sind, wobei der Verbindungsbereich (4) der Membranen (7) mit dem Sondenkörper (1) radial unverschieblich bezüglich der Sondenlängsachse gehalten ist

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (7) becher- oder kappenförmig ausgebildet und mit ihrem Rand durch ein System von metallischen Druckflanschen (8) am Körper (1) befestigt sind.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmigen Radialöffnungen (3) im Körper (1) mit Scheiben (10) aus isolierendem Material versehen sind, gegen die die jeweilige Innenfläche der Membranen (7) anliegt.

4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, unter Verwendung von Druckluft als Druckmittel, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslaßventilanordnung innerhalb der Druckkammer (2) angeordnet ist, die aus einem an einem Ende geschlossenen Zylinder, der eine Einlaßöffnung (12) sowie eine Auslaßöffnung (13) aufweist, aus einem Kolben (15), der frei, jedoch dicht abschließend im Zylinder (11) verschieblich ist, sowie aus einer Vorspann-Einrichtung (16) besteht, die zwischen dem rückwärtigen Ende des Kolbens (15) und dem geschlossenen Ende des Zylinders (11) angeordnet ist.

5. Sonde nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte (x, y) von mehreren stiftförmigen Elementen gebildet sind, die an der inneren Fläche der Scheiben (10) aus isolierendem Material befestigt und durch die Scheiben hindurchgeführt sind sowie an der rückwärtigen Seite der Membranen (7) anliegen, wobei bei dem Ausdehnen bzw. Auslenken der Membranen (7) ein elektrisches Signal aufgrund der dadurch hervorgerufenen Unterbrechung des Kontakts erzeugbar ist.

6. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Auslenkung der Membranen (7) um einen vorgegebenen Wert die Registrierung eines elektrischen Signales aufgrund eines Druckausgleichs im Inneren der Druckkammer (2) auslösbar ist.

7. Verfahren zum Messen der Verformoarkeit von

Erdschichten an Ort und Stelle durch Eintreiben einer Sonde nach den Ansprüchen 1 bis 6 in das Erdreich, bei dem ein Druckmittel in eine Druckkammer eingeführt wird und zwei einander gegenüberliegende Membranen gegen die Erdschicht angedrückt werden, wobei mit dem zugeführten Druckmittel zunächst der von der Erdschicht auf die Membranen ausgeübte Druck ausgeglichen und anschließend der Druck in der Druckkammer so weit erhöht wird, daß nunmehr von den sich zumindest teilweise radial versetzenden Membranen Druck auf die Erdschicht ausgeübt wird, wodurch eine radiale Verschiebung von zumindest Teilen der Membranen erfolgt, deren Größe elektrisch gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformbarkeit der Erdschicht durch eine Radialverschiebung von Teilen der Membranen gegenüber am Sondenkörper fest angeordneten elektrischen Kontakten gemessen und Luft als Druckmittel verwendet wird, wobei ein Ausgleich des Druckes zwischen der gegendrückenden Erdschicht und dem Druck in der Druckkammer der Sonde in der entsprechenden Relativstellung von Membranen und elektrischen Kontakten eine Auslaßöffnung in einem rückseitig mit der einen Membran verbundenen und einen mit seiner Stirnseite an der gegenüberliegenden Membran befestigten Kolben führenden Zylinders öffnet, durch die überschüssige Luft aus der Druckkammer nach außen hin abgelassen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Beginn der Auslenkung der Membranen (7) das Abheben der Membranen (7) von den elektrischen Kontaktelementen (x, y) eingeleitet und dadurch ein elektrischer Stromkreis unterbrachen und ein elektrisches Signal erzeugt wird.