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Dokumentenidentifikation DE10048089A1 18.04.2002
Titel Verfahren und Vorrichtung zur monolithischen Entnahme von Bodensäulen
Anmelder UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, 04318 Leipzig, DE;
Umwelt-Geräte-Technik GmbH, 15374 Müncheberg, DE
Erfinder Meißner, Ralph, Prof.Dr., 39615 Seehausen, DE;
Seyfarth, Manfred, Dr., 12559 Berlin, DE;
Friedrich, Hartmut, 15374 Müncheberg, DE;
Rupp, Holger, Dr., 39615 Seehausen, DE;
Beuter, Maik, 15345 Reichenow-Möglin, DE;
Keßler, Karin, 39615 Falkenberg, DE
Vertreter Patentanwälte Gulde Hengelhaupt Ziebig, 10117 Berlin
DE-Anmeldedatum 28.09.2000
DE-Aktenzeichen 10048089
Offenlegungstag 18.04.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.04.2002
IPC-Hauptklasse G01N 1/04
IPC-Nebenklasse E02D 1/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur monolithischen Entnahme von Bodensäulen, insbesondere mit großem Volumen.
Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen die monolithische Entnahme von Bodensäulen, insbesondere mit großem Volumen, so gewährleistet wird, daß die natürliche Bodenstruktur weitestgehend erhalten bleibt, so daß die Wasserbewegung und der Stofftransport in gleicher Weise erfolgen können wie in der ursprünglichen, natürlich gewachsenen Bodenstruktur am Standort, wird durch ein Verfahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß in einem Arbeitsgang kontinuierlich die Kontur der Bodensäule durch einen Bearbeitungsvorgang wie Fräsen in den Boden eingebracht wird und eine die Bodensäule aufnehmende Einrichtung wie Lysimetergefäß (3) die Endkontur der Bodensäule schneidet.
Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Stütztraverse (1) mit einer axial und radial verstellbaren Führung (2) zur linienförmigen lotrechten Führung einer die Bodensäule aufnehmenden Einrichtung wie Lysimetergefäß (3) bis zum Erreichen der vorgesehenen Entnahmetiefe vorgesehen ist und daß an der dem Boden zugewandten Seite des Lysimetergefäßes (3) eine Bearbeitungsvorrichtung wie Fräseinheit (4) und ein Antrieb (8) zum radialen Vorschneiden der Kontur der Bodensäule vorgesehen sind, die durch das ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur monolithischen Entnahme von Bodensäulen, insbesondere mit großem Volumen, gemäß den Ansprüchen 1 und 3.

Für Untersuchungen des Wasser- und Stoffhaushaltes an Böden in Freilandlysimetern oder Säulenapparaturen im Labor werden ungestörte Bodensäulen benötigt.

Bisherige Entnahmetechnologien erfordern den Einsatz großer Baumaschinen oder spezieller Vorrichtungen wie Bagger, Radlader, Dreibock mit Flaschenzug und Ballast, um das Lysimetergefäß in den Boden zu drücken bzw. zu rammen (DVWK Regeln zur Wasserwirtschaft, Heft 114, 1980 "Empfehlungen zum Bau und Betrieb von Lysimetern", Pütz, Th., Stork, A., Führ, F.: Lysimeter-Acomprehensive Approach of Environmental Research, Druckschrift Forschungszentrum Jülich vom 08.04.1997).

Das Einpressen in den Boden setzt voraus, daß um das Lysimetergefäß herum freigegraben wird. Die lotrechte Ausrichtung des Lysimetergefäßes bis zur Entnahmetiefe kann dabei nicht garantiert werden. Richtungskorrekturen, die üblicherweise mit demselben Bagger ausgeführt werden, führen in der Regel zu Grundbrüchen im Monolithen, wodurch die ursprüngliche Bodenstruktur mit ihrem ausgebildeten Porensystem zerstört und damit die Genauigkeit der durchzuführenden Wasser- und Stoffhaushaltsuntersuchungen nachhaltig beeinträchtigt werden. Hinzu kommt, daß durch das Freigraben des Lysimetergefäßes, ohne das sein Einpressen in den Boden unmöglich ist, größere Baugruben im Gewinnungsbereich entstehen, deren Herstellung und Sicherung kostenintensiv ist und außerdem den Standort schädigen.

Es ist eine spezielle Vorrichtung bekannt, mit der das Einschlagen und das häufig nicht kontinuierlich durchführbare Eindrücken des Lysimetergefäßes in den Boden verbessert werden kann (Hantschel, R.: "Neubau einer Lysimeteranlage am GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit", Mitteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, 1993, ISSN-0343-107X, Band 71, S. 135-138).

Mit dieser Vorrichtung wird die Kraft über mehrere kontinuierlich arbeitende Spindeln auf das Lysimetergefäß übertragen. Ein Ausbrechen des Gefäßes aus der Lotrechten wird durch die um das Lysimetergefäß herum angeordneten Spindeln verhindert. Die bei dieser Entnahmetechnik notwendigen Einpresskräfte sind sehr hoch. Es ist der Einsatz umfangreicher Bautechnik erforderlich, die zudem ein hohes Eigengewicht aufweisen muß (ca. 50 bis 100 t Eigenmasse). Derartige Techniken sind kostenintensiv und auf vielen Standorten wegen der begrenzten Zugänglichkeit nicht einsetzbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemässes Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen die monolithische Entnahme von Bodensäulen, insbesondere mit großem Volumen, so gewährleistet wird, daß die natürliche Bodenstruktur weitestgehend erhalten bleibt, so daß die Wasserbewegung und der Stofftransport in gleicher Weise erfolgen können wie in der ursprünglichen, natürlich gewachsenen Bodenstruktur am Standort.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 und durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 3 gelöst.

Das Verfahren nach der Erfindung sieht vor, daß in einem Arbeitsgang kontinuierlich die Kontur der Bodensäule durch einen Bearbeitungsvorgang wie Fräsen in den Boden eingebracht wird und eine die Bodensäule aufnehmende Einrichtung wie Lysimetergefäß die Endkontur der Bodensäule schneidet.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Stütztraverse mit einer axial und radial verstellbaren Führung zur linienförmigen lotrechten Führung einer die Bodensäule aufnehmenden Einrichtung wie Lysimetergefäß bis zum Erreichen der vorgesehenen Entnahmetiefe vorgesehen ist, und daß an der dem Boden zugewandten Seite des Lysimetergefäßes eine Bearbeitungsvorrichtung wie Fräseinheit und ein Antrieb zum radialen Vorschneiden der Kontur der Bodensäule vorgesehen sind, die durch das Eigengewicht des Lysimetergefäßes in den Boden eindringt.

Durch die Erfindung wird insbesondere die Entnahme großvolumiger Bodensäulen, auch von mehr als einem Meter Durchmesser und mehr als zwei Metern Länge, weitestgehend ohne eine Störung der natürlichen Bodenstruktur mit einem vertretbaren und gegenüber bekannten Verfahren stark reduzierten Mittel- und Kraftaufwand gewährleistet.

Die Entnahme von Bodensäulen in schwierigem Gelände wie Flußniederungen ist in einigen Fällen erst durch das Verfahren nach der Erfindung möglich geworden.

Zweckmässige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur monolithischen Entnahme einer Bodensäule von mehr als einem Meter Durchmesser und mehr als zwei Metern Länge näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung der Gesamtansicht der Vorrichtung und

Fig. 2 die schematische Darstellung der Gestaltung der Fräsvorrichtung und Verzahnung mit dem Lysimetergefäß.

Nach der Erfindung wird ein Lysimetergefäß 3, das die Bodensäule aufnehmen soll, mittels einer Stütztraverse 1 exakt lotrecht zur Bodenoberfläche ausgerichtet und mittels einer Lysimeterführung 2 bis zur vollständigen Entnahmetiefe in dieser Ausrichtung fixiert. An der bodenzugewandten Seite des Lysimetergefäßes 3 ist eine Fräseinrichtung 4 angeordnet, die das Lysimetergefäß 3 konzentrisch umschließt. Die Fräseinrichtung 4 schneidet die Kontur der zu gewinnenden monolithischen Bodensäule vor, so daß das nachrückende Lysimetergefäß 3 die Endkontur der Bodensäule ausbildet. Die Bodensäule füllt beim Erreichen der Entnahmetiefe das Lysimetergefäß 3 vollständig aus.

In der Fig. 1 ist eine Entnahmevorrichtung dargestellt, die aus einer dreibeinigen Stütztraverse 1 mit eingehängter Lysimeterführung 2 besteht, die das Lysimetergefäß 3 von der Bodenoberfläche bis zur vorgesehenen Entnahmetiefe in seiner Lage fixiert. Das Lysimeter 3 wird dabei an drei Stellen linienförmig geführt. Am unteren Ende des Lysimetergefäßes 3 befindet sich ein Antrieb 8 sowie die Fräseinheit 4.

Der Antrieb 8 besteht aus einem Hydraulikmotor und ist mittels einer Manschette 9 fest mit dem Lysimetergefäß 3 verbunden. Der Antrieb 8 kann auch elektromotorisch oder pneumatisch ausgebildet sein.

Die Fräseinheit 4 besteht aus einer Fräsmanschette 5, die das Lysimetergefäß 3 mit radialem Spiel umfaßt. Die Fräsmanschette 5 kann sich frei um das Lysimetergefäß 3 drehen und weist eine umlaufende Verzahnung 7 auf, in die der Antrieb 8 eingreift.

An dem bodenzugewandten Ende der Fräsmanschette 5 sind sechs Stück Bodenmeißel 6 angeordnet.

Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß diese Meißel 6 Ausfräsungen 13 aufweisen, mit denen sie den Flansch 14 vom Lysimetergefäß 3 umschließen. Beim Drehen der Fräsmanschette 5 schneiden sich die Meißel 6 in den Boden ein und ziehen mit ihrer Ausfräsung 13 das Lysimetergefäß 3 mit in den Boden. Der vorgeschnittene Bodenmonolith wird mittels einer Lysimeterschneide 12 in seine Endkontur geschnitten und vollflächig vom Lysimetergefäß 3 aufgenommen. Zur Unterstützung der eintreibenden Kraft dient eine Drückvorrichtung 10 (Fig. 1), die aus einem Hydraulikzylinder und einer axialen Krafteinleitung 11 in das Lysimetergefäß 3 besteht.

Nach dem Erreichen der vorgesehenen Entnahmetiefe wird der Bodenmonolith (Bodensäule) vom gewachsenen Boden auf geeignete Weise abgetrennt, mit dem Lysimetergefäß 3 aus der Entnahmestelle gehoben, zur Lysimeterstation transportiert und für die Versuchsdurchführung aufgestellt. Bezugszeichenliste 1 Stütztraverse

2 Lotrechte Lysimeterführung

3 Lysimetergefäß

4 Fräseinheit

5 Fräsmanschette

6 Bodenmeißel

7 Verzahnung

8 Antrieb

9 Manschette

10 Drückvorrichtung

11 Krafteinleitung

12 Schneide

13 Ausfräsung

14 Flansch


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur monolithischen Entnahme von Bodensäulen, insbesondere mit großem Volumen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Arbeitsgang kontinuierlich die Kontur der Bodensäule durch einen Bearbeitungsvorgang wie Fräsen in den Boden eingebracht wird und eine die Bodensäule aufnehmende Einrichtung wie Lysimetergefäß (3) die Endkontur der Bodensäule schneidet.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorschneiden der Bodensäule so vorgenommen wird, daß für das Eindringen des Lysimetergefäßes (3) in den Boden eine reduzierte Kraft notwendig ist.
  3. 3. Vorrichtung zur monolithischen Entnahme von Bodensäulen, insbesondere mit großem Volumen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stütztraverse (1) mit einer axial und radial verstellbaren Führung (2) zur linienförmigen lotrechten Führung einer die Bodensäule aufnehmenden Einrichtung wie Lysimetergefäß (3) bis zum Erreichen der vorgesehenen Entnahmetiefe vorgesehen ist, und daß an der dem Boden zugewandten Seite des Lysimetergefäßes (3) eine Bearbeitungsvorrichtung wie Fräseinheit (4) und ein Antrieb (8) zum radialen Vorschneiden der Kontur der Bodensäule vorgesehen sind, die durch das Eigengewicht des Lysimetergefäßes (3) in den Boden eindringt.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lysimetergefäß (3) zur Herstellung der Endkontur der Bodensäule eine umlaufende Schneide (12) aufweist.
  5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fräseinheit (4) aus einer Fräsmanschette (5), die das Lysimetergefäß (3) mit radialem Spiel umfaßt, und die eine umlaufende Verzahnung (7) aufweist, in die der Antrieb (8) eingreift, welcher mittels einer Manschette (9) fest mit dem Lysimetergefäß (3) verbunden ist, besteht.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Fräsmanschette (5) an ihrer dem Boden zugewandten Seite Bodenmeißel (6) mit Ausfräsungen (13) angeordnet sind, die den Flansch (14) des Lysimetergefäßes (3) umfassen.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenmeißel (6) in ihrem Arbeitswinkel einstellbar sind.
  8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Traverse (1) eine Drückvorrichtung (10) verbunden ist, die über eine axiale Krafteinleitung (11) mit dem Lysimetergefäß (3) verbunden ist und zur Unterstützung der eintreibenden Kraft einsetzbar ist.






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