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Dokumentenidentifikation DE10048089C2 10.04.2003
Titel 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 Anwaltskanzlei Gulde Hengelhaupt Ziebig & Schneider, 10117 Berlin
DE-Anmeldedatum 28.09.2000
DE-Aktenzeichen 10048089
Offenlegungstag 18.04.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 10.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.04.2003
IPC-Hauptklasse G01N 1/04
IPC-Nebenklasse E02D 1/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur monolithischen Entnahme von Bodensäulen, insbesondere mit großem Volumen, gemäß dem Anspruch 1.

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; DIN 19672, Blatt 1, 1968).

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, eine größere Baugrube im Gewinnungsbereich entsteht, deren Herstellung und Sicherung kostenintensiv ist und außerdem den Standort schädigt.

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.

Es sind des weiteren eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zur Entnahme von kleinvolumigen Bodensäulen für Boden-, Sediment- bzw. Baugrunduntersuchungen als Proben bekannt, die dann im Labor weiter untersucht, zerstört und verworfen oder für spätere Untersuchungen aufbewahrt werden (DE 31 49 946 A1, US 43 163 93, US 13 013 95, GB 212 02 07 A, DE 42 17 695 A1, US 14 569 83).

Aus US 14 569 83 und aus DE 196 23 780 C2 ist die Gewinnung von Laborsäulen oder Säulen für Batchversuche bekannt. Es handelt sich hierbei um einen völlig anderen Maßstabsbereich als bei der Gewinnung von großvolumigen Bodensäulen für Lysimeter, d. h. um wesentlich kleinere Säulen (Liner). Bei den Säulen handelt es sich nicht um Lysimeter in Form eines Messgerätes, sondern lediglich um Objekte zur Untersuchung von bestimmten Parametern, nicht wie beim Lysimeter um die Erforschung von vollständigen Prozessen oder deren Simulation. Eine Bepflanzung dieser kleineren Säulen ist nicht vorgesehen und auch nicht möglich.

In der US 14 569 83 wird eine Vorrichtung zur Bodenprobeentnahme aus der ungestörten Zone beschrieben, bei der ein Kernrohr über einen äußeren Schneckengang vertikal in den Boden eingebracht wird, wobei an der Spitze eine Vorschneideeinrichtung angeordnet ist. Es treten dabei sehr hohe Drehmomente auf, die schwer beherrschbar sind, wenn eine Bodensäule mit größeren Abmessungen entnommen werden soll. Die Vorrichtung ist nur für die Entnahme von kleinvolumigen Bodensäulen wirtschaftlich einsetzbar. Die beschriebene Schneckenförderung ist nicht für alle Bodenarten geeignet und wird schnell durch Steine verklemmt oder durch feuchten Boden verklebt.

Aus der DD 214 214 ist ein Verfahren bekannt, welches die Möglichkeit zur konstruktiven Gestaltung einer Unterdruckvorrichtung behandelt, um an der Grundfläche des Lysimeters das austretende Sickerwasser zu gewinnen. Es fließt nicht nach dem Gravitationsprinzip frei ab, sondern wird durch Anlegen eines Unterdruckes abgesaugt.

Die beschriebene großvolumige Bodenprobenentnahme mittels eines Lysimeters weist alle Nachteile des "Stechzylinderprinzips" auf und erfordert den Einsatz schwerer Technik, was die Störung der natürlichen Umgebung der Bodenprobe bedingt.

In der DE 39 01 077 C1 werden die Nachteile, welche beim Einpressen der Bodensäule entstehen, durch das vorgesehene Freischneiden der Seiten nur teilweise überwunden.

Das Verfahren sieht dabei das Ausheben eines Schürfgrabens, die Anordnung von Trennscheiben, die Ausbildung des Lysimetergefäßes als ein Polygon, die Ausbildung einer Stützkonstruktion und das Einpressen des Zylinders über eine Baggerschaufel mit den damit verbundenen hohen Druckkräften zum Einpressen des Zylinders und der hierbei bestehenden Gefahr des Auftretens eines hydraulischen Grundbruchs, vor.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit der 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 die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei dieser Vorrichtung ist eine Stütztraverse mit einer axial und radial verstellbaren Führung zur linienförmigen lotrechten Führung eines die Bodensäule aufnehmenden Lysimetergefäßes bis zum Erreichen der vorgesehenen Entnahmetiefe vorhanden, wobei an der dem Boden zugewandten Seite des Lysimetergefäßes eine Fräseinheit und ein Antrieb zum radialen Vorschneiden der Kontur der Bodensäule angeordnet sind, wobei das Lysimetergefäß durch sein Eigengewicht in den Boden eindringt, wobei die Fräseinheit eine Fräsmanschette aufweist, die das Lysimetergefäß mit radialem Spiel umfasst und eine umlaufende Verzahnung besitzt, in die der Antrieb eingreift, welcher mittels einer weiteren Manschette fest mit dem Lysimetergefäß verbunden ist, wobei an der Fräsmanschette an ihrer dem Boden zugewandten Seite in ihrem Arbeitswinkel einstellbare Bodenmeißel mit Ausfräsungen angeordnet sind, die den Flansch des Lysimetergefäßes umfassen.

Mit dieser Vorrichtung 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 die Verwendung einer solchen Vorrichtung möglich geworden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird die Vorrichtung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels 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.

Ein Lysimetergefäß 3, das die Bodensäule aufnehmen soll, ist 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 Fräseinheit 4 angeordnet, die das Lysimetergefäß 3 konzentrisch umschließt. Die Fräseinheit 4 schneidet die Kontur der zu gewinnenden monolithische 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 Bödenmeißel 6 angeordnet.

Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass diese Meißel 6 Ausfräsungen 13 aufweisen, mit denen sie den Flansch 14 des Lysimetergefäßes 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.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur monolithischen Entnahme von Bodensäulen, insbesondere mit großem Volumen, wobei eine Stütztraverse (1) mit einer axial und radial verstellbaren Führung (2) zur linienförmigen lotrechten Führung eines die Bodensäule aufnehmenden Lysimetergefäßes (3) bis zum Erreichen der vorgesehenen Entnahmetiefe vorhanden ist, wobei an der dem Boden zugewandten Seite des Lysimetergefäßes (3) eine Fräseinheit (4) und ein Antrieb (8) zum radialen Vorschneiden der Kontur der Bodensäule angeordnet sind, wobei das Lysimetergefäß (3) durch sein Eigengewicht in den Boden eindringt, wobei die Fräseinheit (4) eine Fräsmanschette (5) aufweist, die das Lysimetergefäß (3) mit radialem Spiel umfasst und eine umlaufende Verzahnung (7) besitzt, in die der Antrieb (8) eingreift, welcher mittels einer weiteren Manschette (9) fest mit dem Lysimetergefäß (3) verbunden ist, wobei an der Fräsmanschette (5) an ihrer dem Boden zugewandten Seite in ihrem Arbeitswinkel einstellbare Bodenmeißel (6) mit Ausfräsungen (13) angeordnet sind, die den Flansch (14) des Lysimetergefäßes (3) umfassen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Lysimetergefäß (3) zur Herstellung der Endkontur der Bodensäule eine umlaufende Schneide (12) aufweist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mit der Traverse (1) eine Drückvorrichtung (10) verbunden ist, die über eine axiale Krafteinleitung (11) mit dem Lysimetergefäß (3) verbunden ist und zur Unterstützung des Eigengewichts des Lysimetergefäßes (3) einsetzbar ist.






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