DE3834846A1 - Verfahren und vorrichtung zur untersuchung der oberflaechenbeschaffenheit in schwer- oder nichtzugaenglichem gelaende - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit in schwer- oder nicht­ zugänglichem Gelände, insbesondere zur Prüfung der Tragfähigkeit des Grundes eines Gewässers, wobei von einem vorgegebenen Standort aus in Richtung der zu untersuchenden Oberfläche eine Sonde bewegt wird, insbesondere von einem Schwimmkörper, wie Boot, Ponton od.dgl., aus eine Sonde auf den Gewässergrund abwärts bewegt wird und die Meßsignale der Sonde zur Ermitt­ lung der Oberflächenbeschaffenheit ausgewertet werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Meß- und Auswertegerät an einem vorgegebenen Standort und einer bewegbaren Sonde.

In unzugänglichem Gelände, insbesondere für Baugrün­ dungen oder auch um ein Maß für die Einsinktiefe von über den Boden geführten Fahrzeugen zu halten, ist es häufig notwendig, die Tragfähigkeit des Grundes zu erkunden. Vielfach ist die zu prüfende Oberfläche überhaupt nicht oder nur sehr schwer zugänglich.

Die Oberflächenkontur sowie auch grobe Dichteunter­ schiede des Grundes und die Gewässertiefe können mit einem Echolot bzw. anderen Verfahren unter Ausnutzung des Reflexionsverhaltens elektromagnetischer Wellen ermittelt werden. Eine zuverlässige Angabe über die Tragfähigkeit des Grundes bzw. der Oberfläche wird dabei jedoch nicht erhalten. Nach dem Stand der Technik ist bisher so vorgegangen worden, daß der Grund mit Stangen oder an Seilen, Ketten o. ä. hängenden Gewichten abgetastet worden ist. Diese Methode ist jedoch höchst unzuverlässig und erfordert das Mitführen von recht sperrigen Geräten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren und die eingangs genannte Vorrich­ tung dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Handhab­ barkeit erleichtert wird, aber dennoch die Oberflächen­ beschaffenheit hinreichend genau geprüft werden kann. Insbesondere sollen dabei ermittelt werden:

• - die Gewässertiefe,
• - die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers über dem Gewässergrund,
• - die Eindringtiefe als Maß für die Tragfähigkeit des Gewässergrundes.

Das Verfahren soll möglichst ohne Referenzdaten arbeiten und die Vorrichtung soll sowohl robust als auch leicht tragbar sein, d.h. ein geringes Gewicht aufweisen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die auf die eingangs genannte Vorrichtung bezogene Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Sonde in einer Halterung (aus)lösbar befestigt, mittels eines Be­ schleunigers beschleunigbar ist und Beschleunigungs­ aufnehmer für mindestens drei Richtungen aufweist.

Vorteilhafterweise wird durch doppelte Integration der Beschleunigungs-Zeit-Funktion bis zum Auf­ treffen der Sonde auf die Oberfläche der Weg bzw. die Gewässertiefe erhalten. Die Eindringtiefe und/oder deren negative Beschleunigung beim Auftreffen auf die Oberfläche ist ein verläßliches Maß für die Trag­ fähigkeit des Grundes. Je lockerer der Boden ist, desto tiefer wird die Sonde eindringen. So kann z.B. ohne große Schwierigkeit ein nicht tragfähiger mooriger Untergrund leicht ermittelt werden.

Die auf die Oberfläche abzusenkenden Körper sind einer von der Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers abhängigen Abdrift ausgesetzt. Um hier eine verläßliche Angabe machen zu können, mißt die Sonde zusätzlich die vertikal zu ihrer Bewegungs­ richtung gegebene Strömungsgeschwindigkeit des sie umgebenden Mediums und/oder - gegebenenfalls als Kon­ trolle - den relativ zum als feststehend angenommenen Medium zurückgelegten Weg.

Im einzelnen wird aus der zweifachen Integration der Abwärtsbeschleunigung und der Zeit bis zum Auf­ treffen der Sonde auf die Oberfläche der Weg bzw. die Gewässertiefe erhalten. Dies gilt für Querbeschleuni­ gung, Strömungsgeschwindigkeit und Abdrift entspre­ chend.

Der zeitliche Verlauf der negativen Beschleunigung beim Auftreffen auf die Oberfläche ist ein indirektes Maß für die Tragfähigkeit des Grundes. Je lockerer der Boden ist,

• - desto geringer wird das Maß der Abbremsung sein und
• - desto tiefer wird die Sonde in den Boden eindringen.

So kann z.B. ohne große Schwierigkeit ein nicht trag­ fähiger mooriger Untergrund leicht ermittelt werden.

Im konstruktiv einfachsten Fall besteht die Halterung aus mindestens zwei, um Schwenkpunkte seitlich ab­ schwenkbare Schenkel, die die Sonde lösbar halten. Durch Abschwenken der Schenkel kann die Sonde ausge­ klinkt werden, wobei der exakte Ausklinkzeitpunkt meßtechnisch zuverlässig überwacht werden kann.

Zur weiteren Automatisierung hat es sich bewährt, daß jeder der Schenkel ein Arm eines zweiarmigen Hebels ist, in dessen Drehpunkt vorzugsweise die Achse für eine Kabeltrommel gelagert ist, die ein mit der Sonde verbundenes Rückholseil aufnimmt.

Die Beschleunigung der Sonde kann bei Absenk- bzw. Fallbewegungen einerseits durch ihr Eigengewicht herbeigeführt werden, andererseits kann die Sonde eine Haltevorrichtung besitzen, die als Druckbehälter mit einer Austrittsöffnung ausgebildet ist, die der Form des Sondenmantels entspricht. In diesem Druckbe­ hälter wird durch pneumatischen Druck oder ein Kraft­ speicherelement die oberseitige Sondenstirnfläche beaufschlagt. Solange die Sonde in der Halterung festklemmt, bleibt der Innendruck wirkungslos; nach Abschwenken der genannten Schenkel oder einer anderen Befestigung wird die Sonde durch die aus dem Innen­ druck resultierende Kraft beschleunigt.

Für die Weiterleitung der Meßwerte aus der Sonde dient eine ebenfalls auf der Kabeltrommel aufgewickel­ te bzw. mit dem Rückholseil verbundene Meßleitung oder ein Sender, der die Meßwerte dem Empfänger als Teil des Meß- und Auswertegerätes sendet.

Die Sonde sollte möglichst strömungsgünstige Formen besitzen; vorzugsweise besteht sie aus einem im wesentlichen zylindrischen Körper mit einer konischen Sondenspitze.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt, anhand der das Verfahren und die Vorrichtung näher erläutert wird. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch die Vorrichtung und

Fig. 2 bis 4 jeweilige Diagramme mit der Beschleuni­ gung, der Geschwindigkeit und dem zurückgelegten Weg der Sonde gegen die Zeit.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem nicht näher bezifferten Gehäuse mit einer Halterung 11 für die Sonde 10, die eine ebene, obenseitige Sondenstirnfläche 10 a und eine Sondenspitze 10 b besitzt. Im übrigen ist die Sonde im wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Als Beschleuniger 12 der Sonde dient ein Behälter mit einer unterseitigen Austrittsöffnung 20, die der Mantelform der Sonde 10 entspricht. Die zur Beschleunigung benötigte Kraft kann mittels pneumatischem Druck oder z.B. einer vorgespannten Feder aufgebracht werden. Wesentlicher Bestandteil sind Meßwertaufnehmer für deren Beschleunigung in mindestens drei Achsen. Im einfachsten Fall werden die von einem Beschleu­ nigungsaufnehmer 13 aufgenommenen Beschleunigungs­ signale mittels einer elektrischen Leitung weiter­ gegeben, die vorzugsweise mit dem Rückholseil 18 ge­ koppelt ist, das ab- bzw. aufwickelbar auf der Kabel­ trommel 17 liegt. Eine drahtlose Datenübertragung mittels eines in der Sonde 10 angebrachten Senders 21 und eines in dem Auswertgerät installierten Empfängers ist entsprechend möglich. Vor Betätigung der Sonde 10 wird diese mit Klemmbacken von Schenkeln 14 gehalten, die Teil eines um die Drehpunkte 16 schwenkbaren, zweiarmigen Hebels sind. Die Drehpunkte 16 sind gleichzeitig Aufnahmepunkte für die Achse der Kabeltrommel 17. Die den genannten Halteschen­ keln 14 abgewandten Hebelarme der Halterung 11 sind endseitig an Befestigungspunkten 15 mit einer Spann­ vorrichtung 19 gekoppelt, so daß durch Betätigung dieser die Sonde 10 ausgelöst werden kann.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spannvorrichtung 19 derart betätigt, daß die oberen Hebelarme der Halterung 11(Befestigungspunkte 15) aufeinanderzu geschwenkt werden. Hierdurch werden die Schenkel 14 seitlich abgeschwenkt und die Sonde 10 freigegeben. Die in dem Druckbehälter 12 erzeugte Kraft drückt auf die oberseitige Stirnfläche 10 a, so daß auf die Sonde 10 diese als auch die durch ihre Eigenmasse bestimmte Kraft wirkt. Bei Bewegung der Sonde 10 nach unten wird diese zunächst durch die auf die obenseitige Stirnfläche wirkende Kraft relativ stark beschleunigt. Die vertikalen Be­ schleunigungswerte a (t) sind der Fig. 2 zu entnehmen. Der Auslösezeitpunkt der Sonde 10 ist mit t ₁ bezeichnet. Nachdem die Sonde 10 den Druckbehälter 12 verlassen hat, wirkt nur noch die durch ihre eigene Masse bestimmte Gewichtskraft beschleunigend, aller­ dings vermindert um den Reibungswiderstand sowie den Auftrieb.

Die Beschleunigungskurve wird daher nach Verlassen des Druckbehälters zum Zeitpunkt t ₁′ fast bis auf etwa Erdbeschleunigung (1 g) abfallen, wobei im vorliegenden Fall eine konstante, aus der Eigenmasse angenommene Beschleunigung angenommen wird. Zum Zeit­ punkt t ₂ trifft die Sonde 10 auf die zu prüfende Oberfläche, wo sie relativ stark abgebremst wird und innerhalb kurzer Zeit ihre gesamte kinetische Energie einbüßt. Zum Zeitpunkt t ₃ kommt die Sonde 10 nach Durchlaufen eines gewissen Eindringweges (vgl. Fig. 4) zur Ruhe.

Die Zeitfunktion der Geschwindigkeit ist der Fig. 3 zu entnehmen, insbesondere wird dort deutlich, daß die Geschwindigkeit sehr stark zwischen den vordefinierten Zeiten t ₁ und t ₁′ zunimmt, zwischen t ₁′ und t ₂ mit kleiner Steigerung wächst bis die Geschwindigkeit zwischen t ₂ und t ₃ rapide abnimmt. Fig. 4 zeigt den Wegverlauf, wobei als Null-Linie der Abschußort der Sonde 10 angenommen wird.

Zwischen den Zeiten t ₁ und t ₁′ wird der zurückgelegte Weg durch das Maß der vom Druckbehälter 12 herrührenden Beschleunigung bestimmt. Ab dem Zeitpunkt t ₂ wird der zurückgelegte Weg nur noch um die Eindringtiefe s _E wachsen (vergrößert dargestellt).

Claims (11)

1. Verfahren zur Untersuchung der Oberflächenbeschaf­ fenheit in schwer- oder nicht-zugänglichem Gelände, insbesondere zur Prüfung der Tragfähigkeit des Grundes eines Gewässers, wobei von einem vorge­ gebenen Standort aus in Richtung der zu unter­ suchenden Oberfläche eine Sonde bewegt wird, ins­ besondere von einem Schwimmkörper, wie Boot, Ponton od.dgl., aus eine Sonde in Richtung des Gewässergrundes abwärts bewegt wird und die Meß­ signale der Sonde zur Ermittlung der Oberflächen­ beschaffenheit ausgewertet werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Eindringverhalten der Sonde, die auf den Boden oder den Gewässergrund abge­ senkt oder durch eine zusätzliche Kraft be­ schleunigt wird, als Funktion der Zeit erfaßt und aufgezeichnet wird mit dem Ziel, aus dem zeitlichen Verlauf der auftretenden (Brems-) Beschleunigungen und der Eindringtiefe auf bodenmechanische Kennwerte rückzuschließen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sonde in Richtung der Oberfläche abgeschossen bzw. abgesenkt, deren Fall- bzw. Fortbewegungsgeschwindigkeit und - als Maß für die Oberflächenbeschaffenheit - deren Eindring­ tiefe und/oder deren Abbremsung (negative Be­ schleunigung) beim Auftreffen auf die Oberfläche gemessen werden.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen An­ sprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die vertikal zur Bewegungsrichtung der Sonde auftretenden Beschleunigungswerte in dem die Sonde umgebenden Medium und die in dem ersten Medium vor Berührung der Oberfläche zurückgelegte Wegstrecke ermittelt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 mit einem Meß- und Auswertgerät an einem vorgegebenen Standort und einer beweg­ baren Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (10) in einer Halterung (11) (aus)lösbar befestigt, mittels eines Beschleunigers (12) beschleunigbar ist und Beschleunigungsaufneh­ mer (13) zur Ermittlung der Werte in mindestens drei Richtungen aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halterung (11) aus mindestens zwei, um Schwenkpunkte (16) seitlich abschwenkbaren Schenkeln (14) besteht, die die Sonde (10) lösbar halten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder der Schenkel (14) ein Arm eines zweiarmigen Hebels ist, in dessen Drehpunkt (16) vorzugsweise die Achse für eine Kabeltrommel (17) gelagert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kabeltrommel (17) ein mit der Sonde (10) verbundenes Rückholseil (18) aufnimmt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteschenkel (14) oder die Sonde (10) mit einem Elektrohalte­ magnet (19) schwenkbar oder lösbar verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleuniger an der Haltevorrichtung als Druckbehälter (12) mit einer Austrittsöffnung (20) ausgebildet ist, wobei die Austrittsöffnung (20) dem Sondenmantel entsprechend ausgebildet ist und der Druckbehälter (12) die Sonde (10) derart aufnimmt, daß dessen Kraftgeber die oberseitige Sondenstirnfläche be­ aufschlagt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (10) einen Sender (21) zur Weiterleitung der Meßwerte (mehrachsige Beschleunigung) auf den vorzugsweise in der Halterung angeordneten Empfänger (22) als Teil des Meß- und Auswertegerätes aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (10) einen im wesentlichen zylindrischen Körper aufweist, der vorzugsweise eine konische oder abgeflachte (stumpfe) Sondenspitze (10 b) besitzt.