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Dokumentenidentifikation DE19828355C2 07.09.2000
Titel Pneumatisch-Dynamische-Sonde und Verfahren zur Erkundung und Beurteilung kollabiler, nichtbindiger Böden
Anmelder Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH, 10178 Berlin, DE
Erfinder Pralle, Norbert, 70176 Stuttgart, DE;
Gudehus, Gerd, Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c., 76228 Karlsruhe, DE
DE-Anmeldedatum 25.06.1998
DE-Aktenzeichen 19828355
Offenlegungstag 13.01.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.09.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.09.2000
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 11/00   E02D 1/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit dem die Kollapsneigung eines Bodens als Grundlage für eventuelle Stabilisierungsmaßnahmen erkundet und beurteilt werden kann.

Nichtbindiger, weitgehend gesättigter Boden ist bei sehr lockerer Lagerung, besonders an Böschungen, instabil. Schon kleine Störungen, hervorgerufen z. B. durch Fahrzeuge, wetterbedingte Druckschwankungen und Seismizität, können einen lokalen Kollaps bewirken, aus dem sich großflächige Rutschungen, wie z. B. die Setzungsfließen auf den Kippen ehemaliger Tagebaugebiete, entwickeln können. Dies stellt eine erhebliche Gefahr für die Nutzung dar. Um solche Gebiete zugänglich sowie nutzbar zu machen, werden vorzugsweise Stabilisierungsverfahren allein mit Verdichtung angewendet. Durch Störungen eines Bodenbereiches, z. B. Detonation beim Sprengverdichten, Vibration eines Rüttlers während der Rütteldruckverdichtung, Aufprall eines großen Fallgewichtes bei der dynamischen Intensivverdichtung wird der Porenwasserdruck derart erhöht, daß der Korngerüstdruck stellenweise verschwindet und kurzzeitig eine Suspension vorliegt. Schon nach kurzer Zeit reorganisiert sich das Korngerüst mit einer höheren Lagerungsdichte als vor dem Störungseintrag. Die Neigung des Bodens zur Verflüssigung nimmt mit seiner Porenzahl zu, besonders wenn diese einen kritischen Wert überschreitet. Eine Gefahr liegt dabei in der Unkenntnis der Versagensanfälligkeit des Bodens. Sind die Störungen zu hoch, z. B. durch falsch dimensionierte Ladungsmengen beim Sprengverdichten, können großräumige Rutschungen ausgelöst werden.

Die DE-Patentschrift 195 21 639 beschreibt ein während der eigentlichen Hochdruckinjektion in beliebiger Tiefe durchzuführendes Verfahren zur Überwachung dieser, kurz HDI-Verfahren, bei dem die Informationen durch Erfassung und Auswertung der Bodenerschütterungen in Form eines Amplituden-Zeitverlaufes in der Umgebung des HDI-Gestänges erhalten werden und das eine Variation der Verfahrensparameter zur Optimierung der Reichweite des Hochdruckstrahls ermöglicht. Bei diesem Verfahren wird ein Bohrgerät mit einem HDI-Gestänge, das am unteren Ende mit einer für den Hochdruckstrahl dienenden Austrittsdüse versehen ist, bis zur Solltiefe in den Boden getrieben. Durch diesen Hochdruckstrahl wird der Boden aufgeschnitten und mit Injektionsgut vermischt. Während des Düsvorganges, hervorgerufen durch Ziehen und gegebenenfalls gleichzeitigem Drehen des HDI-Gestänges, wird der Amplituden-Zeitverlauf der Bodenerschütterungen in der unmittelbaren Umgebung des Gestänges z. B. mittels eines Geophons erfaßt und mit der entsprechenden Elektronik ausgewertet. Bei diesem Vorgang können je nach Bodenbeschaffenheit und zur Gewährleistung einer immer gleichbleibenden Qualität der HDI-Säule sowohl die Ziehgeschwindigkeit, als auch die Drehzahl des HDI-Gestänges, der Druck sowie die Materialzusammensetzung des Hochdruckstrahls variiert werden.

Die DE-Patentschrift 195 02 879 beschreibt ein im Rahmen von Vorerkundungsmaßnahmen durchführbares Verfahren zur in-situ-Bestimmung der Gasleitfähigkeit an Sondierungsbohrlöchern, analog der aus der Grundwasserhydraulik bekannten Methode der Abfüllversuche nach Kollbrunner und Maag. Die Messung kann in auf unterschiedliche Weise abgeteuften Bohrlöchern, bei denen jedoch die eventuell bei sehr bindigem Substrat an der Bohrlochwand auftretenden Verdichtungen entfernt werden müssen, erfolgen. Dabei wird über ein mit Öffnungen versehenem Rohr aus einem durch Doppel- oder Einfachpackersysteme abgetrennten Bohrlochbereich Luft durch eine Pumpe abgesaugt oder injiziert, der Druck sowie die Gasdurchflußrate werden gemessen und die effektive Permeabilität anhand der Gleichung ermittelt. Dieses Verfahren gilt zwar nur für geringe aufgebrachte Über- und Unterdrücke, soll aber bei der jeweiligen Packergröße und dem gewünschten Bohrlochdurchmesser für genaue Werte nur eine einmalige Eichung, durchgeführt mittels eines Mediums bekannter Leitfähigkeit, erfordern. In der DE-Patentschrift 42 41 011 wird zur Untergrundsondierung ein zum Vortreiben, Durchziehen oder Splitten von Rohren bekanntes pneumatisches Durchschlaggerät als dynamische Sonde verwendet, indem dieses Gerät ein Schutzrohr und Meßaufnehmer nach sich zieht. Vortriebsweg und Fluktuation der Vortriebsgeschwindigkeit werden dabei an einer nicht in den Boden gedrungenen Stelle des Schutzrohres gemessen, daraus wird bei nichtbindigen Böden der Spitzenwiderstand und die Mantelreibung errechnet, so daß Rückschlüsse auf die Lagerungsdichte des Bodens möglich sind. Der Luftdruck, gemessen an der Zuführungsleitung, zeigt in Verbindung mit der Schlagfrequenz die Funktionstüchtigkeit des Gerätes an, außerdem ist zu erkennen, ob und inwieweit im Boden zusätzliche elastische Schwingungen erzeugt werden, aus denen wiederum auf die Lagerungsdichte nichtbindiger bzw. die Konsistenz bindiger Böden geschlossen werden kann. Über den mittleren Porenwasserdruck, gemessen an der Spitze des Gerätes, erhält man während des Vortriebs Aussagen über die Körnigkeit des Bodens, während über die Fluktuation des Porenwasserdruckes Aussagen darüber möglich sind, ob ein gesättigter durchfahrener Boden infolge dynamischer Beanspruchung zu Porenwasserüberdrücken neigt. Besonders geeignet sein soll dieses Verfahren zur Gewinnung von Daten zur Prognose und Kontrolle von dynamischen Penetrationsvorgängen in beliebiger Vortriebsrichtung von Böden.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Sonde zu entwickeln, durch die ein kontrollierter Eintrag eines Belastungsinitials in den Boden zur Beurteilung von dessen Rutschungsanfälligkeit möglich ist.

Das nach Anspruch 4 dargestellte Verfahren sieht ein Belastungsinitial durch den Eintrag dosierbarer und damit ungefährlich kleiner Impulse eines natürlichen Fluids vor, wobei bodenphysikalische Meßgrößen wie Porenwasserüberdruckverteilungen, Partikel- und Laufzeitgeschwindigkeiten, Lagerungsdichte und Erddruck online aufgezeichnet und zur Beurteilung des Bodens ausgewertet werden.

Die mit der erfindungsgemäßen Pneumatisch-Dynamischen-Sonde erzielten Vorteile liegen in deren Funktionsvielfalt, komplexen Einsatzmöglichkeit und hohen Kontrollierbarkeit. Auch ist das gemäß der Erfindung durch die Impulse eingetragene Fluid natürlich und nicht härtend, so daß es den untersuchten Boden und damit die Umwelt nicht belastet.

Die erfindungsgemäße Pneumatisch-Dynamische-Sonde besteht aus einer hohlen Sondierstange, an deren unteren Ende eine Hochdruckkammer, ein Magnetventil, ein die nach oben führende Druckentlastungsleitung schließendes Ventil, Druckaufnehmer, vier Öffnungen und ein Spitzendruckgeber angebracht sind. Über eine Hochdruckleitung wird die Hochdruckkammer mit einer Flüssigkeit wie Wasser oder einem Gas wie Luft oder aus einer Kombination beider versorgt. Entscheidend ist, daß das Fluid unter sehr hohem Druck in sehr kurzer Zeit in den Boden eingetragen und dadurch ein definierter mechanischer Impuls auf den Boden übertragen wird, wobei Arbeitsdrücke und Impulsfrequenz schnell eingestellt und variiert werden können.

Der Spitzenwiderstand des Bodens kann bis zur maximalen Tiefe gemessen werden. Während des Herausziehens der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde werden in zu bestimmenden Tiefen mittels empirischer Korrelation von zuvor gemessenen Sondierwiderständen und bodenphysikalischen Meßgrößen bestimmte Anzahl und Größe von Impulsen eingetragen. Aufgrund der Porenwasserdruckentwicklung wird der Boden lokal verflüssigt, so daß sich die Lagerungsdichte vorsichtig schrittweise erhöht.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles, dargestellt in den Zeichnungen 1 bis 3 näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: Pneumatisch-Dynamische-Sonde

Fig. 2: Vorkopfverfahren zum für das Trägerfahrzeug standsicheren Eintrag eines Belastungsinitials

Fig. 3: Pneumatisch-Dynamische-Sonde als akustische Quelle für seismische Messungen

Die Pneumatisch-Dynamische-Sonde besteht aus einer hohlen Sondierstange 2. Am unteren Ende 1 dieser befinden sich eine Hochdruckkammer 3, ein Magnetventil 4, ein Ventil 5, Druckaufnehmer 6, vier Öffnungen 7 und ein Spitzendruckgeber 8. Eine durch das Ventil 5 schließbare Druckentlastungsleitung 9 führt bis in das obere Ende der Sondierstange 2. Über eine Hochdruckleitung 10 wird die Hochdruckkammer 3 von einem Hochdruckkompressor 11 versorgt, wobei diese Druckkammer 3 mit einem Druck bis zu 300 bar beaufschlagt werden kann. Zunächst ist die Druckkammer 3 geschlossen. Durch Öffnen des Magnetventils 4 wird nun ein die Öffnungen 7 verschließender Kolben schlagartig nach oben verschoben, so daß das in der Druckkammer 3 vorhandene aus einer Flüssigkeit wie Wasser oder einem Gas wie Luft oder einer Kombination beider bestehende natürliche Fluid explosionsartig durch die Öffnungen 7 in den Boden entweicht. Arbeitsdrücke und Impulsfrequenz können schnell eingestellt und variiert werden. Um den Spitzenwiderstand zu messen, kann das untere Ende 2 der Sondierstange 2 optional mit Meßaufnehmern 8 instrumentiert werden.

Am Anfang der Untersuchung wird die Pneumatisch-Dynamische-Sonde bis zur maximalen Tiefe in den zu untersuchenden Boden eingebracht. Dabei kann der Spitzenwiderstand des Bodens gemessen werden. Dann wird die Pneumatisch-Dynamische-Sonde hinausgezogen, wobei in vorher bestimmten Tiefen, die sich z. B. aufgrund der zuvor durchgeführten Sondierungen als sehr locker und stabilisierungsbedürftig erwiesen haben, Impulse eingetragen werden, deren Anzahl und Größe mittels empirischer Korrelation von zuvor gemessenen Sondierwiderständen und von den online aufgezeichneten bodenphysikalischen Meßgrößen bestimmt wird. Aufgrund der Porenwasserdruckentwicklung wird der Boden lokal verflüssigt, und die Lagerungsdichte vorsichtig und schrittweise erhöht. Sollte der Porenwasserdruck lokal zu große Werte erreichen, kann durch Öffnen des Ventils 5 die Druckentlastungsleitung 9 geöffnet werden, so daß der Porenwasserdruck sich abbaut.

Aus Standsicherheitsgründen wird die Pneumatisch-Dynamische-Sonde im Vorkopfverfahren eingesetzt, d. h. sie wird von einem Trägergerät mit ausreichend langem Ausleger in den zu untersuchenden Boden eingebracht (Fig. 2).

Dabei ist ein Vorteil der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde, daß in einem Arbeitsgang sowohl die Lagerungsdichte des Bodens während des Eindringens der Sonde meßtechnisch ermittelt als auch während des Ziehens die Rutschungsanfälligkeit des Bodens aus den durch die Meßaufnehmer an der Geländeoberfläche 12 und im Bodenkörper 13 aufgezeichneten bodenphysikalischen Meßgrößen, wie Porenwasserüberdruckverteilungen, Partikel- und Laufzeitgeschwindigkeiten, Lagerungsdichte und Erddruck, und den Impulsparametern, wie Impulsstärken, und -folgen, ermittelt wird.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde ist, daß diese zudem für hochauflösende, flachseismische Reflexions- und Refraktionsmessungen eingesetzt werden kann. Der Impuls dient dann als hochfrequentes, akustisches Quellsignal 14, das in verschiedenen Tiefen von Oberflächengeophonen 15 und Bohrlochgeophonen 16 registriert wird. Da die Impulse unter der Deckschicht 16 in den Boden eingetragen werden, ist eine bessere akustische Kopplung von Quelle und Medium gegeben. Bei der üblichen Eintragung an der Oberfläche ist die Auswertung mit größeren Übertragungsproblemen verbunden, als sie sich bei Verwendung der erfindungsgemäßen Sonde ergeben. Ein großer Vorteil bei Anwendung der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde ist außerdem, daß durch Bildung einer Suspensionsblase durch wiederholte Impulseinträge reine Kompressionswellen produziert werden können. 1 unteres Ende

2 Sondierstange

3 Hochdruckkammer

4 Magnetventil

5 Ventil für Dränageleitung

6 Druckaufnehmer

7 Öffnungen

8 Spitzendruckgeber/Meßaufnehmer

9 Druckentlastungsleitung/Drainagekanal

10 Hochdruckleitung

11 Hochdruckkompressor

12 Meßaufnehmer auf Bodenkörper

13 Meßaufnehmer im Bodenkörper

14 akustisches Quellsignal

15 Oberflächengeophon

16 Bohrlochgeophon

17 Deckschicht


Anspruch[de]
  1. 1. Pneumatisch-Dynamische-Sonde zur Erkundung und Beurteilung kollabiler, nichtbindiger Böden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit einer Spitze versehenen, hohlen Sondierrohr (2) am unteren Ende oberhalb der Spitze eine mit einem natürlichen Fluid gefüllte, zum Geben eines Hochdruckimpulses dienende Hochdruckkammer (3) mit horizontalem Fluidaustritt eingebaut ist.
  2. 2. Pneumatisch-Dynamische-Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Impuls in den Boden eingetragene natürliche, keine Belastung für Boden und Umwelt darstellende Fluid aus einer Flüssigkeit wie Wasser oder einem Gas wie Luft oder einer Kombination der beiden besteht.
  3. 3. Pneumatisch-Dynamische-Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Spitze der hohlen Sondierstange (2) sich sowohl eine mittels eines Hochdruckkompressors (11) mit einem Druck bis zu 300 bar beaufschlagbare Hochdruckkammer (3), ein Spitzendruckgeber (8) sowie vier für den Fluidaustritt vorgesehene Öffnungen (7) befinden.
  4. 4. Verfahren zur Erkundung und Beurteilung kollabiler, nichbindiger Böden, dadurch gekennzeichnet, daß durch wiederholten Eintrag von Druckimpulsen in den Boden eine lokale Verflüssigung ohne weiträumiges Fließen zur Beurteilung der Kollapsanfälligkeit des Bodens erzeugt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Öffnen des Magnetventils (4) ein die Öffnungen (7) verschließender Kolben schlagartig nach oben verschoben wird und das in der bisher verschlossenen Druckkammer (3) befindliche Fluid explosionsartig durch diese in den Boden entweicht.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerungsdichte des zu untersuchenden Bodens während des Eindringens der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde meßtechnisch und während des Herausziehens der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde die Rutschungsanfälligkeit des Bodens aus den bodenphysikalischen Meßgrößen und den Impulsparametern ermittelt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Spitzendruckgeber (8) an der Spitze der Eindringwiderstand des Bodens nach den Druckimpulsen angezeigt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Korngerüstdruck durch lokales Erhöhen des Porenwasserüberdruckes mittels Druckimpulsen verschwindet und eine örtlich begrenzte Suspensionsblase entsteht.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als bodenphysikalische Meßgrößen die Porenwasserüberdruckverteilungen, die Partikel- und Laufzeitgeschwindigkeiten, die Lagerungsdichte und der Erddruck auf und im Bodenkörper und als Impulsparameter die Stärke und Folge dieser aufgezeichnet werden.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Bodens zur weiträumigen Verflüssigung aus der ermittelten Lagerungsdichte und den bodenphysikalischen Meßgrößen sowie den Impulsparametern bestimmt wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine begrenzte und kontrollierbare Verflüssigung durch während des Betriebes der Pneumatisch-Dynamischen-Sonde stufenlos erfolgenden Variierung der Impulsstärke und -frequenz stattfindet.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer zu hohen Porenwasserdruckentwicklung zur Vermeidung eines weiträumigen Fließens und kontrollierten Verringerung des Porendruckes eine in der Sonde befindliche Druckentlastungsleitung (9) geöffnet wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzzeitige Verflüssigung des Bodens das Durchdringen dichterer Schichten erleichtert.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden nach einer durch die Impulseintragung hervorgerufenen begrenzten und kontrollierten Verflüssigung dort ein Bereich lokaler Verdichtung entsteht.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Erkundungen des Bodens zur Dichteprüfung im Vorkopfverfahren von derselben Geräteposition durch den Eintrag von Impulsen stattfindet.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Druckimpulse als hochfrequente akustische Signale als Druckimpulse zur Durchführung von seismischen Reflexions- und Refraktionsmessungen dienen.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 4 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Impulseinträge entstehende Suspensionsblase reine Kompressionswellen erzeugen kann.






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