DE69004960T2

DE69004960T2 - Verfahren und gerät zur messung vor ort der quellcharakteristik von böden.

Info

Publication number: DE69004960T2
Application number: DE69004960T
Authority: DE
Inventors: Etienne Flavigny; Ernest Muschotti
Original assignee: ERG
Current assignee: ERG
Priority date: 1989-06-09
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2010-05-26
Also published as: NO914814D0; LTIP703A; LV10343A; FI915714A0; AU5743190A; NO914814L; JPH05500248A; FR2648232A1; EP0475986B1; WO1990015324A1; EP0475986A1; KR920701819A; AU641165B2; FR2648232B1; LT3488B; LV10343B; RU2063031C1; ATE98018T1; JPH0819663B2; DE69004960D1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Verfahren und Vorrichtungen zur In-situ-Messung der Quelleigenschaften eines Bodens.
Das technische Gebiet der Erfindung ist die Herstellung von Material und Gerätschaften zur Durchführung von Versuchen und Messungen der Mechanik von Böden in situ.
Eine der Hauptanwendungen der Erfindung ist die Bestimmung der Quellfähigkeit eines Bodens vor der Errichtung eines Bauwerks auf diesem.
Tatsächlich sind zahlreiche Bauwerke, Wohngebäude mit geringer Höhe oder Industrieanlagen, durch expandierende, insbesondere durch quellende Böden beschädigt worden.
In Frankreich hat PHILIPPONNAT über mehrere Schadensfälle in der Pariser Region berichtet. Andere Beispiele werden genannt z. B. in Rumänien (POPESCU), im Senegal (THUREAU) oder in den Vereinigten Staaten (CHEN). Man kann feststellen, daß diese Probleme immer bei tonigen oder lehmigen Böden, in ariden oder semiariden Klimaten, d. h. bei einem nicht gesättigten Medium auftreten.
Diese expansiven tonigen oder lehmigen Böden schaffen schwerwiegende Probleme bei Bauwerken, und dies um so mehr, je leichter diese sind. Außerdem nehmen diese Schäden sehr langsam mit der Zeit zu, in dem Maße, wie die Starre der Bauwerke verloren geht. Die häufigsten Schäden aufgrund quellender Böden sind differentielle Deformationen, sowie sich im Jahreszeitenrhythmus und damit im Zyklus der Schrumpfung und Quellung des tonigen oder lehmigen Bodens öffnende und schließende Risse.
Schäden dieser Art können bestimmte Bauwerke ruinieren. Die Bereiche, die der Wirkung der quellenden Böden am stärksten ausgesetzt sind, sind die Fundamente. Zahlreiche bauliche Maßnahmen werden zu ihrem Schutz empfohlen, allerdings ohne Optimierung, da es an einer Messung und der Kenntnis des Wertes und des eingegangenen Risikos fehlt, was teuer kommt, wenn man sicher sein will, jedes Risiko zu vermeiden.
Insbesondere kann angewandt werden:
- eine vorbeugende Behandlung des Fundamentbodens;
- eine Anpassung der Strukturen;
- eine Umgebungsdrainage zur Herstellung eines Feuchtigkeitsgleichgewichts im Boden.
Diese in Ermangelung einer Optimierung kostspieligen vorbeugenden Maßnahmen werden häufig ignoriert.
Es erscheint daher notwendig, der Quellung dieser Fundamentböden vorzubeugen, und dazu muß man durch einen Versuch entweder in situ oder im Labor die künftige Quellneigung des Tons oder Lehms bestimmen können, der den zu untersuchenden Boden bildet.
Bisher ist es nicht möglich, das Verhalten eines Bodens zu ermitteln, ohne Versuche an einer Probe desselben oder vor Ort vorzunehmen: Die Reaktionsmechanismen eines Bodens sind tatsächlich sehr komplex und sind verknüpft mit seiner internen Struktur, die häufig sehr heterogen ist und sich nicht wiederholt. So kann man zwar die Böden in Kategorien einteilen, ohne jedoch deren Eigenschaften ohne Versuch quantifizieren zu können: Zahlreiche Veröffentlichungen. Messungen und Untersuchungen wurden und werden zu jedem Parameter gemacht, der von den uns interessierenden Problemen der Quellung betroffen ist, wie etwa bei nicht gesättigten Böden die Saugwirkung in den Böden, das hydrodynamische Verhalten und der Fluß des Wassers, die effektive Belastung, die Scherfestigkeit usw. ...
Zahlreiche Geräte sind entwickelt worden, um diese Parameter zu messen, wissend, daß es für einen gegebenen Parameter diverse Gerätschaften gibt, häufig in Abhängigkeit vom Meßbereich.
Es zeigt sich jedoch, daß die wichtigste Information bei der Untersuchung nicht gesättigter Böden der Wert ihres Saugvermögens ist, und es besteht eine Korrelation zwi -schen dessen Abnahme und der Zunahme der Quellung, wobei diese Korrelation einer der Schlüssel zum Verständnis der Mechanismen und der Parameter der Quellung ist.
Diese Quellneigung eines Bodens wird bisher ausschließlich im Labor anhand sog. "oedometrischer" Versuche an Proben untersucht.
Das von einigen Varianten abgesehen klassischste Verfahren bleibt das von PAREZ und BACHELIER empfohlene, bei dem durch ein geregeltes Gegengewicht die Probe am Quellen gehindert wird, und das es ohne Schwierigkeiten ermöglicht, den Wert des ausgeübten Drucks nach Stabilisierung, eben des Quelldrucks, zu bestimmen.
Der Quelldruck eines Bodens kann definiert werden als:
- der Druck, der auf einen Boden ausgeübt werden muß, damit bei dessen Sättigung keine Volumenänderung auftritt;
- der Druck, der auf einen Boden ausgeübt werden muß, um ihn nach Sättigung auf sein Anfangsvolumen vor Sättigung zurückzuführen.
Die erste dieser beiden Definitionen ist die klassischste und wird nach wie vor von der Mehrzahl der Autoren verwendet.
Jedoch betrachten diese Verfahren das Problem der Quellung als ein in einer Richtung auftretendes Phänomen, wobei doch der Nachweis der Anisotropie der Quellung in nicht gesättigten Böden dazu führen sollte, sich nicht mehr auf eine einzige Quellrichtung zu beschränken, sondern sie mit Geräten zu untersuchen, die mehr von einer dreiachsigen Zelle als von einem "Oedometer" haben.
Außerdem sind diese Laborversuche lang, teuer, liefern kein Ergebnis in Echtzeit, verzögern daher die Information und die Entscheidung und stören die Organisation einer Baustelle. Außerdem kann die Probe, die vom Ort zum Labor befördert wird, im Laufe des Transports und mit der Zeit ihren Zustand ändern, so daß die gemessenen Werte nicht mehr repräsentativ sind.
Dies erklärt auch, wieso diese Laborversuche nur wenig für den Bedarf einer Baustelle durchgeführt werden, wo dann entweder keine oder überdimensionierte Maßnahmen gegen die Risiken getroffen werden; diese Versuche werden hauptsächlich in der Forschung und bei Gutachten verwendet, sie vor Ort anzuwenden ist undenkbar.
Jedoch werden seit mehreren Jahren die Mehrzahl der laufenden Fundamentuntersuchen ausschließlich unter Anwendung von In-situ-Versuchen als Mittel zur Parametrisierung der Fundamentberechnungen durchgeführt, z. B. mit Hilfe von Penetrometern oder insbesondere mit unter der Marke "Pressiometre" vertriebenen Materialien. Es ist daher nützlich und interessant, auch Messungen des Quellver -haltens durchführen zu können, und zwar wenn möglich unter weitestgehender Verwendung von Mitteln, die auch bei anderen durchgeführten Versuchen und Messungen angewandt werden.
Es gibt diverse Ausrüstungen für die In-situ-Messung von Druck und Scherung in einem Boden, und die Messung der Quellfähigkeit basiert auch auf Druckmessungen, doch das Verfahren der Anwendung, Messung und Analyse unterscheidet sich von bekannten existierenden Verfahren und ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Es lassen sich in diesem Bereich diverse Patente anführen, die vor mehreren Jahren eingereicht wurden, wie insbeson -dere die der Firma MENARD, die in diesem Bereich der Vorläufer seit mehr als 30 Jahren ist, und Inhaber des eingetragenen Warenzeichens "PRESSIOMETRE" ist, mit dem dieses Material bezeichnet wird. Eins ihrer letzten Patente, eingereicht am 12. Juni 1981 und veröffentlicht am 18. März 1983 unter der Nr. FR-A-2 512 860, betitelt "Dispositif de commande de surface de type numérique pour essai de sols et de roches in situ avec sonde profonde" ("Numerische Oberflächen-Steuervorrichtung zur In-situ- Untersuchung von Böden und Fels mit einer Tiefensonde") beansprucht im wesentlichen Mittel und Verfahren zur Berechnung anhand aufgenommener Meßwerte, mit denen trotz der Betriebsanforderungen Ergebnisse vor Ort erhalten werden. Die von dieser Firma zur Gewinnung dieser Meßwerte verwendeten PRESSIOMETRE-Geräte sind bekannt und umfassen:
- eine Tiefensonde mit einer dehnbaren Hauptzelle, die durch Flüssigkeitsdruck aufblähbar ist und im wesentlichen von zwei Schutzzellen gleicher Art umgeben ist, die ihrerseits unter Gasdruck stehen, und
- mit der Tiefensonde durch eine Gemeinschafts-Flüssigkeits- Gas-Rohrleitung verbunden, eine Oberflächenvorrichtung, mit der gleichzeitig der oder die Drücke verändert und die Volumenänderungen der Hauptzelle erfaßt werden können.
Andere Details über diese Geräte finden sich in dem Werk "THE PRESSUREMETER AND FOUNDATION ENGlNEERING" von F. BAGNELIN, J. F. JEZEQUEL, D. H. SHIELDS aus der Reihe Rock and Soil Mechanics, Band 2 (1974/77) Nr. 4, Trans. Tech. Publications, Clausthal, Deutschland, 1978".
Man kann auch das am 21. Juni 1985 von der Firma SOPENA eingereichte, am 26. Dezember 1986 unter der Nr. FR-A-2 585 876 veröffentlichte Patent mit dem Titel "Procédé et dispositif de mesure des caractéristiques de cisaillement d 'un sol" ("Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Schereigenschaften eines Bodens") anführen: Die beanspruchte Erfindung ermöglicht neben der Messung des Radialdrucks wie bei den vorher beschriebenen Geräten der Firma MENARD, in situ den auf die Sonde anwendbaren axialen Zug zu messen, der den Bruch des Bodens durch Scherung hervorruft, und zwar mit Hilfe eines elastischen Mantels dieser Sonde, an dessen Äußerem Druckschalen montiert sind.
Somit liefert jedes dieser Geräte Meßergebnisse, die jeweils einer Eigenschaft des Bodens entsprechen und somit einander ergänzen, je nachdem was man erforscht.
Jedoch ermöglicht keines in seiner bekannten Konfiguration und mit seinem Anwendungsverfahren die Messung und Bestimmung des Quelldrucks und der Quelldehnung eines Bodens.
Die gestellte Aufgabe ist daher, ausgehend von existierenden Mitteln zur Anwendung bekannten und öffentlich verfügbaren Materials für die In-situ-Messung des Bodendrucks, eine Sonde und ein Oberflächengerät für Messungen der Quelleigenschaft des Bodens vor Ort anzupassen.
Eine Lösung des gestellten Problems ist ein Verfahren zur In-situ-Messung, unter Verwendung einer dehnbaren Sonde, Einrichtungen zum Einführen dieser Sonde in den Boden, Einrichtungen zur Kontrolle des auf den Boden durch die Sonde ausgeübten radialen Drucks, bei welchem:
- die dehnbare Sonde in ein Bohrloch im zu untersuchenden Boden in die gewünschte Tiefe abgesenkt wird und ein normaler bekannter Druckmeßversuch durchgeführt wird, der darin besteht, daß die Kurve der Veränderung des Drucks der Sonde und damit des Bodens um diese herum, in Abhängigkeit vom Dehnungsvolumen dieser Sonde und damit vom komprimierten Volumen des Bodens aufgenommen wird;
- ausgehend vom Punkt, der dem ursprünglichen Zustand des Bodens ohne Bohrloch entspricht, Einbringen eines Fluids in den wenigstens einen Teil der Sonde umgebenden Boden, mit geringem Druck entsprechend einer Fluidsäule von wenigen Metern Höhe, wobei der Boden mit dem Fluid durchtränkt wird;
- gleichzeitiges Kontrollieren des Volumens der Sonde, so daß es unter Zunahme des Drucks in dieser bis zur Sättigung des Bodens mit dem Fluid konstant bleibt, d. h., bis zum Punkt, wo das Volumen sich wieder zwangsläufig mit dem Druck ändert;
- Berechnen der Differenz zwischen den an den Punkten gemessenen Drücken, die dem Quelldruck des Bodens entspricht.
Ausgehend vom obigen Punkt, der dem ursprünglichen Zustand des Bodens entspricht, und der Zufuhr von Fluid in den Boden um die Sonde herum, kann man gemäß einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren den Druck in der Sonde so kontrollieren, daß dieser konstant bleibt, während das Volumen derselben bis zur Sättigung des Bodens mit dem Fluid vermindert wird, d. h. bis zu dem Punkt, an dem der Druck sich wieder zwangsläufig mit dem Volumen ändert, und die Differenz zwischen den an den Punkten gemessenen Volumina berechnen, die der freien Dehnung aufgrund der Quellung des Bodens entspricht.
Schließlich wird das Hauptziel der Erfindung erreicht, wenn diese Berechnungen des Quelldrucks des Bodens bei konstantem Volumen und der Dehnung des Bodens bei konstantem Druck nacheinander durchgeführt werden, indem die Druckänderungskurven in Abhängigkeit vom Volumen für einen fluidgesättigten Boden durchlaufen werden und die Werte des Drucks und des Volumens zwischen den Punkten dieser Kurven gemessen werden, die entweder dem Volumen oder dem Druck des Ursprungszustands des Bodens vor seiner Durchtränkung entsprechen.
Eine andere Lösung des gestellten Problems ist eine Vorrichtung zur In-situ-Messung der Quelleigenschaften eines Bodens, die in bekannter Weise eine dehnbare Sonde, Einrichtungen zum Einführen und Dehnen derselben im Boden und Einrichtungen zur Kontrolle des von der Sonde auf den Boden ausgeübten radialen Drucks umfaßt, wobei die Vorrichtung Einspritzeinrichtungen zum Einbringen eines Fluids, das den Boden durchtränkt in den die Sonde wenigstens teilweise umgebenden Boden unter geringem Druck entsprechend wenig ein Metern Fluidsäule umfaßt wobei diese Sonde in einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens zwei unabhängig voneinander dehnbare Teile umfaßt, von denen eines normale herkömmliche Druckmessungen des Bodens in seinem Ursprungszustand ermöglicht und das mit der Fluideinspritzvorrichtuing verbundene andere Teil gleichzeitig mit der Durchtränkung des Bodens bis zur Sättigung Messungen des Quelldrucks des Bodens bei konstantem Druck oder bei konstantem Volumen ermöglicht.
Das Resultat sind neue Verfahren und Vorrichtungen für In-situ-Messungen der Quelleigenschaften eines Bodens. Diese Verfahren und Vorrichtungen haben zahlreiche Vorteile im Vergleich zu den gegenwärtigen Techniken, von denen wie gesagt keine es bisher ermöglicht, In-situ- Messungen der Quelleigenschaften durchzuführen, die stattdessen im Labor vorgenommen werden, daher zeitlich versetzt und mit den oben genannten Nachteilen.
Außerdem ermöglicht die Anpassung der vorliegenden Erfindung an existierende Meßmaterialien einerseits, die Anwendungs- und Investitionskosten zu verringern, andererseits, die Messungen bezüglich der bekannten, gerade mit diesem Material durchgeführten Eichungen zu rekalibrieren. Die Charakteristika der Bodenmechanik sind häufig keine absoluten, sondern relative Messung, und es ist daher notwendig und wichtig, die gleichen Bezugsmessungen als Basis zu haben, insbesondere wenn anhand mancher von diesen auf dem Feld der Errichtung von Bauwerken erstellt worden sind.
Außerdem kann das herkömmliche pressiometrische Profil anschließend im selben Bohrloch in größerer Tiefe fortgesetzt werden, außerhalb des möglichen Dehnungsbereichs.
Bei bevorzugten Ausführungsform wird die Dauer der als Trockenmessung bezeichneten Bezugsmessung mit einer Sonde mit zwei unabhängig dehnbaren Teilen genutzt, um die Dehnung durchzuführen, da die Zeit zur Durchtränkung des Bodens ungefähr der Dauer der vorhergehenden "Trockenmessung" entspricht, d. h. ca. 15 Minuten; dadurch kann Meß- Zeit gewonnen werden.
Schließlich können Verbesserungen und zusätzliche Meßaufnehmer in die Sonde eingefügt werden, um z. B. den Zwischenraumdruck zu verfolgen.
In der folgenden Beschreibung beschreiben wir im wesentlichen Beispiele für erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen, doch sind im Rahmen der Erfindung andere Werkzeuge und Sonden vorstellbar: Die Zeichnungen, Figuren und die Beschreibung haben daher keinerlei einschränkenden Charakter.
Fig. 1 ist eine Darstellung von Kurven von Druck- und Volumenwerten.
Fig. 2 ist eine Schinittdarstellung der gesamten Meßvorrichtung.
Fig. 3 ist eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Sonde mit zwei übereinander angeordneten dehnbaren Teilen.
Fig. 4 ist eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Sonde mit vier dehnbaren Sektoren.
Fig. 5A sind Darstellungen der Deformation eines Bodens und 5B durch die Sonde mit vier Sektoren, in Draufsicht.
Fig. 1 zeigt ein orthogonales Koordinatensystem, dessen Abszissen (P) Druckwerte in einer dehnbaren Sonde darstellen, nach dem Bohren eines Lochs in einem Boden und der Einführung dieser Sonde, die einen Außendurchmesser ungefähr gleich dem gebohrten Loch hat, im allgemeinen z. B. in der Größenordnung von 63 mm bei den existierenden Geräten, und die Ordinaten (V) stellen Volumenwerte dieser Sonde dar. Diese Werte werden an der Oberfläche gemessen, wie in Fig. 2 dargestellt.
Im Betrieb mißt der Anwender eine natürliche Druck-Volumen- Kurve 1, die er aufzeichnet und anschließend benutzt, um von Hand die Eigenschaften des Bodens zu bestimmen, darunter ein normales pressiometrisches Modul (module pressiométrique normal) EP und einen konventionellen Grenzdruck (pression limite conventionnelle) PL (Werte, deren Bedeutung verknüpft ist mit Grunddaten am "Pressiometre"- Gerät). Als allgemeine Regel wird zunächst eine Eichung vorgenommen, bei der sich die Sonde an der freien Luft, ungefähr in Höhe der Oberflächenvorrichtuing befindet; anschließend werd ein mit der in einem Bohrloch versenkten Sonde die eigentlich ein Messung ein durchgeführt, von denen die Eichwerte abgezogen werden, um die Eigenantwort der Sonde zu eliminieren.
Der "pressiometrische" Modul ist die Steigung der Kurve 1 im Punkt A, der der Wiederanbringung des Bodens in seinem ursprünglichen Zustand vor der Bohrung entspricht.
Der Puinkt A gibt daher den ursprünglichen Druck PO und Volumen VO an, die den Teil des Bodens kennzeichneten, dessen Platz die Sonde eingenommen hat.
Sobald die erfindungsgemäße Sonde, wie in der nachfolgenden Figur beschrieben, im Bohrloch am gewünschten Platz angebracht und auf Druck und Volumenwerte gebracht worden ist, die dem Punkt A entsprechen, wird in den wenigstens einen Teil der Sonde umgebenden Boden ein Fluid eingebracht, das den Boden unter geringem Druck durchtränkt, der einigen Metern Fluidsäule entspricht.
Diverse Meßverfahren sind dann möglich:
a/ entweder wird gleichzeitig mit der Einbringung von Fluid in den Boden das Volumen der Sonde kontrolliert, so daß es konstant bleibt, unter Erhöhung des Drucks darin, bis zur Sättigung des Bodens mit dem Fluid, d. h. unter Durchlauf des Geradenstücks AB in der Figur bis zum Punkt B, an dem das Volumen V nur noch mit dem Druck P zunehmen kann, woraufhin dann die Kurve 2 verfolgt werden kann. Diese Kurve stellt dann die Expansionsphase der Sonde nach der Quellung des Untergrunds bis zur Sättigung dar: Der Grenzdruck PL ist a priori nicht durch die Durchtränkung des Bodens betroffen, der Modul Ep ist jedoch betroffen. Die zwischen den Punkten B und A gemessene Druckdifferenz δP = PG - PO entspricht dann dem Quelldruck des Bodens.
b/ Gleichzeitig mit der Einbringung von Fluid wird der Druck in der Sonde kontrolliert, so daß er konstant und gleich PO bleibt, wobei dann ihr Volumen bis zur Sättigung des Bodens mit dem Fluid verringert wird, d. h., indem das Stück AC in der Figur bis zum Punkt C durchlaufen wird, an dem der Druck nur noch mit dem Volumen abnehmen kann, was es ermöglicht, die Kurve 3 zu verfolgen. Wenn man letztere Kurve unter Wiederanhebung des Drucks P und damit des Volumens V verlängert trifft sie sich in normalerweise mit der obigen Kurve 2 und geht durch den Punkt B, da es sich um die Druck- Volumenkurve des gesättigten Bodens handelt.
Die Differenz der zwischen den Punkten A und C gemessenen Volumina δV = VO - VG entspricht dem freien Dehnungsvolumen aufgrund der Quellung des Bodens.
c/ Wenn man keine zwei verschiedenen Messungen an zwei verschiedenen Punkten machen will, da diese nicht übereinstimmen könnten, kann man den Quelldruck unter Durchlauf des Stücks AB wie oben unter a/ angegeben messen, anschließend läßt man, sobald das Fluid bis zur Sättigung des Bodens eingebracht ist, den Druck PG in der Sonde abfallen, wobei dann die Kurve 2 oder 3 durchlaufen wird, bis man den Ursprungsdruck PO im Punkt C erreicht, für den man das Volumen VG der Sonde mißt, was es ermöglicht, das freie Dehnungsvolumen δV wie oben unter b/ angegeben zu kalibrieren.
d/ Man kann auch, wie oben unter b/ angegeben, das freie Dehnungsvolumen δV messen, anschließend unter Erhöhung des Drucks in der Sonde bis zum Punkt B ansteigen und den Quelldruck wie oben unter a/ messen; die Verfahren c/ und d/ sind hinsichtlich der Definition dieses Quelldrucks äquivalent.
Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung der gesamten Meßvorrichtung, die einen auf dem Boden 14 befestigten bekannten Träger umfaßt, der es ermöglicht, mit einer beliebigen bekannten Bohreinrichtung 8 ein Bohrloch 4 an dem Ort und mit der Tiefe herzustellen, in der man die Messung durchführen will.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Gerätschaften wie z. B. die mit dem eingetragenen Warenzeichen "Pressiometre" bezeichneten Geräte verwendet, die zusätzlich eine bekannte Vorrichtung 13 enthalten, die es ermöglicht, den Druck und das Volumen einer beliebigen verformbaren Sonde 11 zu kontrollieren, die mit dieser über wenigstens eine Leitung 12 verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Sonde 11 , wie in der nachfolgenden Figur beschrieben, ist tatsächlich durch zwei Leitungen mit einer Vorrichtung 13 verbunden, die deswegen verdoppeltist.
Die eventuell mit einer Rammspitze 5 versehene Sonde wird in das Bohrloch eingeführt und durch einen Stangenzug 6, bis in die Tiefe abgesenkt, in der die Messung durchgeführt werden soll.
Außerdem ist ein Behälter 10, der ein beliebiges Fluid 15 enthält, ebenfalls mit der Sonde 11 über eine Leitung 9 verbunden, die durch den Stangenzug 6 verlaufen kann oder auch nicht, wie jene 12, die mit der Meßvorrichtung 13 verbunden sind. Dieses Fluid 15 ist im Gegensatz zu dem zur Dehnung der Sonde verwendeten, das daher ein festgelegtes und wiedergewinnbares Volumen hat, verloren und wird verwendet, um wenigstens einen Bereich des Bodens 14 um die Sonde 11 herum zu durchtränken, in den es unter geringem Druck entsprechend einigen Metern Fluidsäule eingebracht wird. Seine Einbringung kann daher einfach durch Schwerkraft durchgeführt werden, und dieses Fluid ist vorzugsweise Wasser.
Fig. 3 ist eine vereinfachte Darstellung eines Beispiels der Sonde 11, die, um das beste Meßergebnis nach dem Verfahren zu erhalten, aus zwei unabhängig voneinander dehnbaren Teilen besteht, die es ermöglichen, die Messungen nach einem der in Fig. 1 beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen, insbesondere gleichzeitige Mes -sungen des Normaldrucks und des Quelldrucks.
In dieser Figur sind die Teile zwei übereinander liegende dehnbare Sonden: Der obere Teil 11&sub1;, durch eine Leitung 12&sub1; von der Vorrichtung 13 z. B. durch den Stangenzug 6 hindurch versorgt, ist von bekannter Art und ermöglicht normale herkömmliche Druckmessungen des Bodens in seinem Ursprungszustand; der untere Bereich 11&sub2; wird auch durch eine Leitung 12&sub2; von der Vorrichtung 13 versorgt, um wie der vorhergehende Messungen des Bodendrucks um ihn herum zu ermöglichen, doch zusätzlich steht er in Beziehung mit dem Behälter 10 des Fluids 15 über die Leitung 9: Das Fluid kann somit in den Boden 14 z. B. durch eine Doppelwand 16 eingebracht werden, die die untere Sonde 11&sub2; an ihrem Rand ganz oder teilweise umgibt : Ihre dichte Innenwand dient damit als Druckübertrager für die Messung, wie die Wand einer dehnbaren Sonde, und die poröse Außenwand mit Öffnungen erzeugt keinen parasitären Druck, der die Messungen beeinflussen kann, wenn ein Gleichgewicht der Durchtränkungssättigung des Bodens durch das Fluid 15 besteht und dieses nicht mehr eingebracht werden kann.
Fig. 4 ist eine vereinfachte Darstellung eines anderen Beispiels der Sonde 11, die ebenfalls aus zwei unabhängig voneinander dehnbaren Teilen besteht, von denen jeder wiederum verdoppelt ist, so daß die Sonde 11 aus wenigstens vier paarweise gegenüberstehend gekuppelten dehnbaren Sektoren 16&sub1;, 16&sub2;, 16&sub3; und 16&sub4; besteht, die in derselben Schicht des Bodens 14 arbeiten, was vorzuziehen sein kann.
Der von den Sektoren 16&sub1; und 16&sub3; gebildete Teil ist durch eine Leitung 12 für herkömmliche normale Druckmessungen mit der Vorrichtung 13 verbunden. Der von den Sektoren 16&sub2; und 16&sub4; gebildete Teil ist durch eine Leitung 12&sub2; mit dieser Vorrichtung für Dehnungsmessungen verbunden und außerdem ist er verbunden mit dem Fluidbehälter 10 durch die Leitung 9 zur Einbringung dieses Fluids 15 in den Boden, z. B. wie in der vorhergehenden Figur durch eine Doppelwand 16, die die einzige Außenfläche der Sektoren 16&sub2; und 16&sub4; überdeckt.
Bei einer anderen Variante können die Sektoren jeweils mit einer starren Außenwand überdeckt sein, von denen die zwei, die die Sektoren 16&sub2; und 16&sub4; überdecken, Kanäle und Öffnungen aufweisen, durch die das direkt von der Leitung 9 zugeführte Fluid flächig austritt.
Die Fig. 5A und 5B sind Darstellungen der Deformierung eines Bodens 14 durch die in der vorangegangenen Fig. 4 beschriebene Sonde, von oben oder von unten gesehen. Jede Linie 17 entspricht einer Isobare.
In Fig. 5A ist das Sektorpaar 16&sub2; und 16&sub4; nach Einbringung von Fluid in den Boden in der Position des Punkts C der Fig. 1 dargestellt, wohingegen die Sektoren 16&sub1; und 16&sub3; in der Position des normalen Drucks des Bodens 14 sind, d. h. am Punkt A der Fig. 1.
Die erste Drucklinie 17&sub1; entspricht somit dem Druck PO und die meßbare Volumendifferenz zwischen dem Sektorpaar (16&sub1; + 16&sub3;) und (16&sub2; + 16&sub4;) stellt die Dehnungsänderung des Bodens VG - VO dar.
In Fig. 5B ist das Sektorpaar 16&sub2; und 16&sub4;, immer noch dargestellt nach Einbringung von Fluid in den Boden 14, auf das gleiche Volumen wie die Sektoren 16&sub1; und 16&sub3; gebracht, daher der insgesamt kreisförmige Umfang der Sonde: Somit entsprechen alle Sektoren dem Volumen des Untergrunds mit wieder hergestellter Ursprungsposition vor dem Bohren. Die Sektoren 16&sub1; und 16&sub3; sind immer noch in der Normaldruckposition am Punkt A der Fig. 1 und die Sektoren 16&sub2; und 16&sub4; sind am Punkt B dieser Figur.
Die erste Drucklinie 17&sub1;, die dem Druck PO entspricht, endet daher nahe an den Enden der Sektoren 16&sub1; und 16&sub3;, wohingegen die Linie 17&sub2;, die der Außenwand der Sektoren 16&sub2; und 16&sub4; folgt, dem Quelldruck PG entspricht und sich anschließend von dein Sektoren 16&sub1; und 16&sub3; entfernt. Die Druckdifferenz PG - PO ist der Quelldruck des Bodens.

Claims

1. Verfahren zur In-situ-Messung der Quelleigenschaften eines Bodens mittels einer Ausrüstung, die eine dehnbare Sonde (11), Einrichtungen (8) zum Einführen dieser Sonde in den Boden und zum Dehnen derselben und Einrichtungen (13) zur Kontrolle des auf den Boden (14) durch die Sonde ausgeübten radialen Drucks umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die dehnbare Sonde (11) in ein Bohrloch (4) im zu untersuchenden Boden (14) in die gewünschte Tiefe abgesenkt wird und ein an sich bekannter Druckmeßversuch durchgeführt wird, der darin besteht, die Kurve (1) der Veränderung des Drucks (P) der Sonde und damit des Bodens um diese herum in Abhängigkeit vom Dehnungsvolumen (V) dieser Sonde und damit des komprimierten Volumens des Bodens aufzunehmen;

- ausgehend vom Punkt (A), der dem ursprünglichen Zustand des Bodens ohne Bohrloch entspricht, in den wenigstens einen Teil der Sonde umgebenden Boden (14) ein Fluid (15) mit geringem Druck entsprechend einer Fluidsäule von wenigen Metern Höhe eingebracht und der Boden mit dem Fluid durchtränkt wird;

- gleichzeitig das Volumen (V) der Sonde kontrolliert wird, so daß es unter Zunahme des Drucks (P) in derselben bis zur Sättigung des Bodens mit dem Fluid (15) konstant bleibt, das heißt bis zum Punkt (B), an dem sich das Volumen wieder zwangsläufig mit dem Druck ändert;

- die Differenz (δP) zwischen den an den Punkten (B und A) gemessenen Drücken berechnet wird, die dem Quelldruck des Bodens entspricht.

2. Verfahren zur In-situ-Messung der Quelleigenschaften eines Bodens mittels einer Ausrüstung, die eine dehnbare Sonde (11), Einrichtungen (8) zum Einführen dieser Sonde in den Boden und zum Dehnen derselben und Einrichtungen (13) zur Kontrolle des auf den Boden (14) durch die Sonde ausgeübten radialen Drucks umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

- die dehnbare Sonde (11) in ein Bohrloch (4) im zu untersuchenden Boden (14) in die gewünschte Tiefe abgesenkt wird und ein an sich bekannter Druckmeßversuch durchgeführt wird, der darin besteht, die Kurve (1) der Veränderung des Drucks (P) der Sonde und damit des Bodens um diese herum in Abhängigkeit vom Dehnungsvolumen (V) dieser Sonde und damit des komprimierten Volumens des Bodens auzunehmen;

- ausgehend vom Punkt (A) , der dem ursprünglichen Zustand des Bodens ohne Bohrloch entspricht, in den wenigstens einen Teil der Sonde umgebenden Boden (14) ein Fluid (15) mit geringem Druck entsprechend einer Fluidsäule von wenigen Metern Höhe eingebracht und der Boden mit dem Fluid durchtränkt wird;

- gleichzeitig der Druck (P) in der Sonde (11) kontrolliert wird, so daß dieser konstant bleibt, während das Volumen (V) derselben bis zur Sättigung des Bodens mit dem Fluid (15) vermindert wird, das heißt bis zum Punkt (C), an dem der Druck sich wieder zwangsläufig mit dem Volumen ändert;

- die Differenz (δV) zwischen den an den Punkten (A und C) gemessenen Volumina berechnet wird, die der freien Dehnung aufgrund der Quellung des Bodens entspricht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungen des Quelldrucks des Bodens bei konstantem Volumen (VO) und der Dehnung des Bodens bei konstantem Druck (PO) nacheinander durchgeführt werden, indem die Druck- und Volumenänderungskurven (2 und 3) für einen fluidgesättigten Boden durchlaufen werden und die Werte des Drucks (P) und des Volumens (V) zwischen denjenigen Punkten dieser Kurven gemessen werden, die entweder dem Volumen oder dem Druck des Ursprungszustands des Bodens (14) vor seiner Durchtränkung entsprechen.

4. Vorrichtung zur In-situ-Messung der Quelleigenschaften eines Bodens, mit einer dehnbaren Sonde (11), Einrichtungen (8) zum Einführen und Dehnen derselben im Boden (14) und Einrichtungen (13) zur Kontrolle des durch die Sonde (11) auf den Boden ausgeübten radialen Drucks (P), gekennzeichnet durch Einspritzeinrichtungen (10) zum Eintragen eines Fluids (15), das den Boden durchtränkt, in den die Sonde (11) wenigstens teilweise umgebenden Boden (14) unter geringem Druck entsprechend wenigen Metern Fluidsäule.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (11) wenigstens zwei unabhängig voneinander dehnbare Teile umfaßt, von denen eines (11&sub1;) normale herkömmliche Druckmessungen des Bodens in seinem Ursprungszustand ermöglicht und das mit der Fluideinspritzeinrichtung (10) verbundene andere Teil (11&sub2;) gleichzeitig mit der Durchtränkung des Bodens bis zur Sättigung Messungen des Quelldrucks des Bodens bei konstantem Druck oder bei konstantem Volumen ermöglicht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (11) aus zwei übereinander angeordneten dehnbaren Sonden besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (11) aus mindestens vier dehnbaren Sektoren (16) besteht, die paarweise gegenständig gekoppelt sind und in derselben Bodenschicht (14) arbeiten.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (15) Wasser ist.