Probenahmegerät zum Entnehmen ungestörter Bodenproben

Abstract

 Das durch Drehbewegung niedertreibbare Gerät hat im Werkzeuggehäuse (3) eine Probendose (6) und einen die Drehbewegung übertragenden Kolben (1). An der Aussenfläche verläuft in Schneckenlinie ein sog. Spiralblatt (5), während am Gehäuseunterteil ein Schneidkopf (4) angebracht ist. Das Wesen des Gerätes besteht darin, dass der Schaft (1a) des Kolbens des Probenahmegerätes mit polygonalem Querschnitt ausgebildet ist. Die Probendose (6) aber ist in das Probenahmewerkzeug so eingebaut, dass sie auch während dem Drehen in Ruhestellung verbleibt. Oben am Gehäuse (3) ist eine, die Verbindung zwischen diesem und dem kolbenschaft (1a) herstellende, eine Verschiebung des Kolbenschaftes (1a) aber gestattende Sperrvorrichtung (2) vorgesehen. Zwecks Verbindung der Sperrvorrichtung (2) mit dem. Kolbenschaft (1a) ist dieser an zwei geeigneten Anschlußstellen mit einer unteren Fixiernut (1d) und einer oberen Fixiernut (1c) versehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Probenahmegerät zum Entnehmen von ungestörten Proben aus Untergrund-Bodenschichten zwecks Bestimmung ihrer Qualitätsparameter. Das Gerät hat ein Werkezeug, das bei drehender Bewegung in den zu untersuchenden Boden eindringt und in der gewünschten Tiefe aus dem Boden eine Bodenprobe entnimmt. Im Inneren des Gehäuses des Probenahmewerkzeugs befindet sich eine Probendose zum Aufnehmen der genommenen Bodenprobe, und ein Kolben zum Übertragen der Drehbewegung des Bohrgestänges auf das Werkzeuggehäuse, während auf der Aussenfläche des Gehäuse ein in einer Schneckenlinie mit grosser Steigung verleufendes sog. Spiralblatt angebracht ist. Am unteren Gehäuseteil des Probenahmegerätes ist ein Schneidkopf angeschlossen, der - um das Eindringen in den Boden zu erleichtern - mit zweckmässig auswechselbar ausgeführten Schneidkanten von grosser Härte versehen-ist.

[0002] Bei den geotechnischen Untersuchungen besteht die Aufgabe häufig darin, Bodenproben zu nehmen, welche über die Schichtung des Erdbodens - des Untergrundes - seine Festigkeit, den Wassergehalt und die sonstigen physikalischen Kennwerte die nötige Auskunft erteilen. Diese Daten sind unabdingbar erforderlich zur Durchführung von bodenmechanischen Berechnungen, z.B. zur Bemessung von Fundamentierungen.

[0003] Die dem Boden entnommenen Proben können in zwei Gruppen eingeteilt werden: in "gestörte" und in "ungestörte" Gesteinsproben. In vielen Fällen ist es sehr wichtig, dass die Probe die Gegebenheiten des gewachsenen Bodens getreu wiedergibt. Hierzu aber sind ungestörte Proben nötig.

[0004] Von den zahlreichen bekannten Probenahmegeräten soll hier nur auf die in dem letzten Jahrzehnt entwickelten neuzeitlichen Varianten eingegangen werden. Ein typisches Beispiel von diesen ist in der Fit-PS 2 036 451 beschrieben. Dieses Gerät hat ein dünnwandiges Probenahmewerkzeug, welches beim Herausziehen des in die gewünschte Tiefe niedergebrachten Werkzeugs das "Abreissen" der Probe hydraulisch vollzieht. Die beiden kleinen Arbeitszylinder des Gerätes drücken unter die Probe Bindstoff ein, und bilden dadurch geradezu einen künstlichen Boden für die Probe. Ein Mangel des Gerätes ist, dass es nur in geöffnetem Zustand niedergebracht und deswegen nur in standfesten Bohrungen mit festen Erdböden benützt werden kann. Andernfalls ist eine besondre Verrohrung nötig, um das Probenahmegerät niederlassen zu können.

[0005] Ein anderes Gerät zum Entnehmen von Bodenproben wird in der CH-PS 485 072 beschrieben. Sein Wesen besteht aus einer Reihe von Probenahmekammern, die an einem Bohrgestänge voneinander in beliebigem Abstand angebracht werden können. Das Niederbringen des Gerätes erfolgt durch Drehen des Bohrgestänges im Sinne des Uhrzeigers. Die Probenahmekammern sind mit solchen "Fenstern" versehen, die sich öffnen, wenn das Gerät im entgegengesetzten Sinne des Uhrzeigers gedreht wird. Ist nun das Werkzeug in die nötige Tiefe gelangt, so öffnen sich die Fenster bei umgekehrtem Drehen des Werkzeuges, und die Kammern entnehmen die Proben der gegenüberliegenden Bohrlochwand. Nach erfolgter Probenahme werden durch Drehen in der ursprünglichen Drehrichtung die Fenster geschlossen, und die Proben bleiben nun in den Kammern. Trotz dieser geistreichen Lösung hat sich das Gerät doch nicht bewährt, da die Fenster die Proben durch Zerspanung nehmen, und deshalb damit nur "gestörte" Proben hochgebracht werden können.

[0006] Nach einem anderen Arbeitsprinzip wirkt jenes zum Nehmen von Bodenproben dienende Bohrgerät, welches in der CH-PS 534 781 beschrieben ist. Das mit einem Leichtmetalleinsatz versehene Gerät hat eine Bohrkrone und ein Probebegrenzungseinsatzstück. Das Eindringen in den Boden geschieht wie üblich durch Drehen und Vorschub des Gerätes. Sein Oberteil ist öffenbar und das ermöglicht den Ein- und Ausbau des Probenbegrenzers. Das Gerät ist den weitver- _breiteten doppelwandigen Kernbohrrohren für Probenahme ähnlich. Seine ungünstige Eigenschaft aber besteht darin, dass man es nicht in geschlossenem Zustand in die zu prüfende Bodenschicht hinablassen kann. Deshalb kann sich beim Niederlassen der Probenahmeraum mit Bodenpartikeln anfüllen, und dadurch in vielen Fällen nur eine gestörte Probe erzielt werden.

[0007] Die bestentwickelte Variante der bekannten Lösungen enthält die DE-AS 2 307 040. Dieses Gerät dient zum Nehmen von Kernproben. Ihr Wesen besteht in dem doppelwandigen Bohrgestänge, das durch Aussenmuffen mit einander verbunden ist. Der Aussenrohrmantel ist mit einem "Spiralblatt" versehen. Die Schneidkante kann am Ort der Probenahme durch das Drehen des Gestänges in entgegengesetztem Uhrzeigersinn entfernt werden. Wird auf diese Weise die Schneidkante vor dem Probenahmewerkzeug weggenommen, so kann mit Hilfe des inneren Probenahmewerkzeuges die Probenahme von obertags aus gesteuert und durchgeführt werden. Nachteilig ist, dass das Probenahmegerät kompliziert und teuer ist. Der Grund hiervon liegt darin, dass sowohl das Aussen- wie auch das Innenwerkzeug so speziell ausgestaltet werden muss, wie sie zu anderen Bohrarbeiten nicht zu gebrauchen sind, sodass sie als Spezialzubehöre gelten. Ungünstig ist ferner, dass der Anschluss zur Probenahme über das Gestänge geschehen muss. Dies ist aber für das Gestänge nachteilig, das es ja auch noch andere Funktionen zu versehen hat.

[0008] Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der obenerwähnten Mängel der bekannten Probenahmegeräte, d.h. ein solches Gerät zu schaffen, das in jedem Falle eine eindeutig als ungestört zu betrachtende Bodenprobe, praktisch aus jeder beliebigen Tiefe hochzubringen vermag. Zur gestellten Aufgabe gehört auch nochtdie Bedingung, dass beim Tieferdringen des Werkzeugs in den Boden kein einziger seiner Teile eine verdichtende Wirkung auf den umgebenden Boden ausüben darf, ferner dass an der Aussenfläche des Sammeleinsatzstückes nur ein kleinerer Reibungswiderstand auftreten darf als auf der, der Bodenprobe zugekehrten Seite, sodass die entnommene Bodenprobe - unabhängig von der drehenden Bewegung des Gerätes - ständig im Ruhezustand verbleibt.

[0009] Der Grundgedanke der Erfindung ist die Erkenntnis, dass das Probenahmegerät zweckmässig kolbenartig auszugestalten sei, der Kolbenschaft und der Gestängeanschluss aber einen polygonalen Querschnitt haben soll, während die Probendose in dem Gehäuse des Probenahmegerätes so eingesetzt sein muss, dass sie auch beim Drehen des Gerätes in ruhender Stellung verbleibt; ferner dass am Aussenmantel des Gehäuses solche Spiralblätter anzubringen sind, welche die Bodenprobe vor jeglicher Verdichtung bewahren und die abgespante Bodenprobe in der Richtung auf den freien Bohrlochabschnitt hochzufördern vermag. Die Spiralblätter sollen auch dazu geeignet sein, um die für das Öffnen des Kolbens des Probenahmegerätes benötigte Stützkraft beizustellen.

[0010] Die Erfindung ist also ein Probenahmegerät zum Entnehmen ungestörter Bodenproben aus Untergrund-Schichten zwecks Bestimmung der Bodenqualität -, wobei dieses Gerät ein durch drehende Bewegung niedertreibbares, und in der gewünschten Tiefe eine Probe dem Boden entnehmendes Probenahmewerkzeug ist, das im Innern des Gehäuses des Probenahmewerkzeugs eine die genommene Bodenprobe aufnehmende Probendose hat, ferner zur Übertragung der Drehbewegung vom Bohrgestänge auf das Werkzeuggehäuse einen Kolben besitzt, während am Aussenmantel des Gehäuses, in einer Schneckenlinie von grosser Steigung verlaufend, ein Spiralblatt angebracht ist, am unteren Gehäuseteil des Probenahmewerkzeugs aber zum Erleichtern des Eindringens in den gewachsenen Boden ein mit Schneidkanten aus sehr harten Metallplättchen armierter, zweckmässig auswechselbarer Schneidkopf vorgesehen ist - so ausgestaltet, dass der Kolbenschaft des Probenahmewerkzeugs mit polygonalem, z.b. sechseckigem Querschnitt ausgestaltet, die Probendose im Innern des Werkzeuggehäuses aber von diesem unabhängig eingesetzt ist, so dass sich die Dose auch bei drehendem Gehäuse in Ruhestellung befindet; ferner auf der dem Gestänge zugekehrten Seite des Gehäuses oben auch eine Sperrvorrichtung vorgesehen ist, die zwischen dem Gehäuse und dem Kolbenschaft eine lösbare Verbindung herzustellen vermag, der Kolbenschaft aber in der Längsachse des Gerätes verschiebbar, und zur Verbindung mit der Sperrvorrichtung an zwei verschiedenen, zum Anschluss geeigneten Stellen, zweckmässig in der Nähe des Kolbenkopfes mit einer unteren Fixiernut, bei der Gestängekupplung für den Anschluss an das Bohrgestänge aber mit einer oberen Fixiernut versehen ist.

[0011] Als weiteres Merkmal des erfindungsgemässen Probenahmegerätes ist noch anzuführen, dass die Sperrvorrichtung wenigstens ein Fixiereinsatzstück besitzt, welches sie mit Hilfe einer Druckfederkraft jeweils in eine der Nuten am Kolbenschaft einschnappen lässt. Die-die Sperrvorrichtung haltenden ein oder mehrere Fixiereinsätze werden von den im Gehäuseoberteil eingepassten Führungseinsatzstücken umfasst.

[0012] Bei einer möglichen zweckmässigen Ausführungsform des Probenahmegerätes ist von den Führungseinsatzstücken das untere fixe Führungseinsatzstück unverschiebbar im Gehäuse eingebaut, während das obere herausnehmbare Führungseinsatzstück mit dem fixen Führungseinsatzstück, sowie in lösbarer Weise - zweckmässig durch Schrauben - mit dem Fixiereinsatzstück zusammengebaut ist.

[0013] Das erfindungsgemässe Probenahmegerät ermöglicht während des Niederbringens des Probenahme-Bohrloches die kontinuierliche Probenahme. Dies ist dem Umstand zu verdanken, dass dieses Gerät in geschlossenem Zustand wie ein Bohrwerkzeug arbeitet, mithin am Bohrvorgang selbst beteiligt ist.

[0014] Das erfindungsgemässe Probenahmegerät vermag aus beliebiger Tiefe auch unter dem Grundwasserspiegel fachgerechte Bodenproben zu nehmen, da sein Arbeiten durch ein eventuelles Ausbrechen und Einstürzen der Bohrlochwand, oder durch den schlechten Zustand der Bodenschichten nicht gestört wird, welche beim Niederbringen des Bohrloches durch- örtert werden müssen.

[0015] Ein besonderer Vorzug des Gerätes besteht darin, dass die Probendose mit Leichtigkeit zur Verrichtung des Materialhochtransportes an einem, mit Spiralblatt versehenen Gestänge, ja sogar an einem der üblichen Bohrgestänge angeschlossen werden kann, ohne an der Probendose konstruktive Abänderungen vornehmen zu müssen. Das Gerät kann zwecks Anpassung an die verschiedenen Bodenarten jeweils mit anderen, geeigneten Schneidköpfen versehen-werden; es kann also unter den verschiedensten Bodengegebenheiten mit Erfolg zum Einsatz kommen. Sehr günstig ist die polygonale Ausgestaltung des Gerätkolbens, denn auf diese Weise kann mit Hilfe des Gestänges das Gehäuse einfach bewegt werden. In die am Kolbenschaft ausgestalteten Nuten aber können sich die elastischen Fixier-Einsatzstücke der Sperrvorrichtung,leicht einfügen, die gleichermassen zum Lösen oder Festhalten des Kolbens dienen.

[0016] Die Erfindung soll anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden. Es zeigt:

Fig.l: Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des Probenahmegerät gemäss der Erfindung;

Fig.2-4: zeigen Ansichten der Einzelheiten der Lösung nach Fig. 1.

[0017] In Fig.l wurde - mit Weglassung des mittleren Abschnittes - das erfindungsgemässe Probenahmegerät im Längsschnitt dargestellt. Bezogen auf eine in der Mitte verlaufende, und bei der Arbeit meist vertikal gerichtete Längsachse 11 ist ein Kolben 1 zentralsymmetrisch angeordnet. Ein Kolbenschaft la des Kolbens 1 hat einen sechseckigen Querschnitt, und ist mit einem Kolbenkopf lb versehen, der unten am Gerät in einer Kolbenspitze lc endet.

[0018] Am Kolbenschaft la ist eine untere Fixiernut ld und eine obere Fixiernut le vorgesehen. Mit Hilfe dieser Aussparungen kann der Kolbenschaft la des Kolbens 1 in zwei verschiedenen Stellungen mit einer Sperrvorrichtung 2 verbunden und somit arretiert werden. Die untere Fixiernut ld befindet sich in der Nähe des Kolbenkopfes lb, während sich die obere Fixiernut le des Kolbens 1 in der Nähe jenes Gestängeverbinders befindet, der zum Anschluss an das in der Zeichnung nicht dargestellten Bohrgestänge dient.

[0019] Die Sperrvorrichtung 2 besteht aus mehreren Bauteilen. Einer von diesen ist ein unteres fixes Führungseinsatzstück 2b, welches an einem die Innenwand eines Gehäuses 3 bildenden Distanzhaltestück, vorteilhaft durch Schweissen befestigt ist. Über dem unteren fixen Führungseinsatzstück 2b ist ein Fixiereinsatzstück 2c angeordnet.

[0020] Das auf der linken Seite von Fig.l zu sehende Fixiereinsatzstück 2c ist in Fig.4 auch gesondert dargestellt. Dort ist eine als Bohrung 2g ausgestaltete Montageöffnung zu sehen, die zugleich auch.für die Aufnahme der Sperrschrauben 2e dient. Die Aufgabe der Montageöffnung besteht darin, dass nach erfolgter Probenahme entgegen der Kraft von beiden Druckfedern 2d das Fixiereinsatzstück 2c zurückgezogen werden kann. Die Druckfeder 2d sorgt dafür, dass das Fixiereinsatzstück 2c in die untere Fixiernut ld des Kolbens 1, oder wie es die in Fig.l dargestellte Stellung zeigt - in die obere Fixiernut le einschnappt. Nach dem Einschnappen besteht.zwischen dem Kolben 1 und dem Fixiereinsatzstück 2c eine formschlüssige Verbindung, wofür einerseits bei letzterem der in Fig.4 zu sehende schwalbenschwanzartige Einschnitt, andererseits die keilartige Ausgestaltung des Kolbens 1 an der unteren Fixiernut ld bzw. an der oberen Fixiernut lc des Kolbens 1 sorgt.

[0021] Einen Teil der Sperrvorrichtung 2 stellt das obere herausnehmbare Führungseinsatzstück 2a dar, welches in Zusammenarbeit mit dem unteren fixen Führungseinsatzstück 2b das Fixiereinsatzstück 2e umfasst, und mit dem unteren fixen Führungseinsatzstück 2b durch Schrauben 2f fest verbunden ist. Das untere fixe Führungseinsatzstück 2b der Sperrvorrichtung 2 ist in Fig.3, das herausnehmbare obere Führungseinsatzstück aber in Fig.2 auch gesondert dargestellt. In Fig.2 und Fig.3 sind sich nach dem sechseckigen Querschnitt des Schaftes la des Kolbens 1 richtenden Mittel- öffnungen 2h, sowie als Durchführung der Schrauben 2f dienenden Bohrungen 2i zu sehen.

[0022] Ferner ist in Fig.l die Verbindung des Kolbenschaftes la mit dem Kolbenkopf lb dargestellt. Für die koaxiale Stellung zueinander der beiden Elemente sorgt ein Zentrierdorn lf, während für das Aussperren der eventuell vom Kolbenkopf lb her eindringenden Nässe eine zweckmässig aus Hartgummi gefertigte Dichtung 9 dient. Die Dichtung 9 wird von einem Haltestift 8 niedergepresst.

[0023] In Fig.l ist gut zu erkennen, dass ein Probendose 6 in das Gehäuse 3 eingesetzt ist. Die Probendose 6 ist zwischen einem am unteren Teil des Gehäuses 3 - zweckmässig durch ein Schraubengewinde - befestigten Schneidkopf 4 und einem Distanzhaltestück 7 eingebaut. Die Aussenmantelfläche des Gehäuses 3 ist - um die aus der Bohrung durch Zerspanung gelöste Bodensubstanz nach oben weiter zu befördern - mit Spiralblättern 5 versehen, während die am Schneidkopf 4 angebrachten, zweckmässig mit auswechselbaren, und deshalb der jeweiligen Bodenbeschaffenheit anpassbaren, und mit Hartmetallplättchen 4a versehenen Schneidkanten zum Niederbringen des Gerätes in den Boden dienen.

[0024] Bei dem Gebrauch des erfindungsgemässen Probenahmegerätes wird entlang einer Gestängekupplung 10 das am Bohrgestänge angeschlossene Gerät bis in die für die Probenahme erwünschte Tiefe in geschlossenem Zustand gehalten - und wie ein Bohrwerkzeug um die Längsachse 11 gedreht - in den Boden hinabgetrieben. In der gewählten Tiefe wird dann das Gerät auf sehr einfache Weise dadurch öffenbar, dass das Gestänge, und damit auch der Kolben 1 entlang der Längsachse 11 in axialer Richtung nach oben gehoben wird. Während dem Hochheben verbleibt das Gehäuse 3 zufolge der dank der Spiralblätter 5 festgehaltenen Stellung bewegungslos, während durch das Hochziehen des Kolbens 1 die Probendose unten geöffnet wird.

[0025] Beim Niederbringen des Gestänges und damit auch des Probenahmewerkzeugs befanden sich das Gehäuse 3 und der Kolben 1 in einer solchen Verbindung, dass die Sperrvorrichtung 2 in die obere Fixiernut le des Kolbens 1 eingriff. Wird aber der Kolben 1 zurückgezogen, so greift danach die Sperrvorrichtung 2 in die untere Fixiernut ld des Kolbens 1 ein. In dieser Stellung wird durch das weitere Drehen des Gestänges und des daran angeschlossenen Kolbens 1 die im Innern des Gehäuses 3 befindliche Probendose 6 weiter auch unten bewegt und nimmt dabei die gewünschte Bodenprobe auf. Währenddessen wird die Bodenprobe von dem Schneidkopf 4 im Kreis herausgemeisselt, während die Spiralblätter 5 die herausgemeisselte Bodenprobe nach oben befördern.

[0026] Das Probenahmegerät gemäss der Erfindung kann somit zufolge seines obenbeschriebenen konstruktiven Aufbaus und seiner Arbeitsweise aus jeder beliebigen, mit dem Schneidkopf zerspanbaren Bodenart auf zuverlässige Art eine wahrhaft ungestörte Probe nehmen.

Ansprüche

1. Probenahmegerät zum Entnehmen ungestörter Bodenproben aus Untergrund-Bodenschichten, das durch Drehbewegung niedergetrieben werden kann und mit einem Probenahmewerkzeug versehen ist, das in der gewünschten Tiefe Proben dem Boden entnimmt, das Werkzeuggehäuse aber im Innern eine Probendose zur Aufnahme der genommenen Bodenprobe, ferner einen Kolben hat, der die drehende Bewegung des Bohrgestänges auf das Werkzeuggehäuse überträgt, während am Aussenmantel des Gehäuses ein mit grösser Steigung verlaufendes Spiralblatt angebracht ist, am unteren Teil des Probenahmewerkzeugs ein zweckmässig austauschbarer Schneidkopf anschliesst, der zum leichteren Eindringen in den Boden mit Schneidkanten von grosser Härte versehen ist, dadurch ge- kennzeichnet, dass der-Schaft /la/ des Kolbens /1/ des Probenahmewerkzeugs einen polygonalen Querschnitt hat, die Probendose /6/ im Probenahmewerkzeug, unabhängig vom Gehäuse /3/ so eingebaut ist, dass sie auch während des Drehens des Gehäuses /3/ im Ruhezustand verbleibt, ferner an dem, dem Bohrgestänge zugekehrten Teil des Gehäuses /3/ zwischen letzterem und dem Schaft /la/ des Kolbens /1/ eine Sperrvorrichtung /2/ so angebracht ist, dass sie eine Verschiebung des Kolbenschaftes /1a/ in der Längsachse /11/ des Gerätes zum Herstellen oder Lösen der Verbindung mit dem Schaft /la/ des Kolbens /1/ gestattet, während der Kolbenschaft /la/ des Kolbens /1/ zwecks Verbindung in zwei verschiedenen Stellungen mit der Sperrvorrichtung /2/ zwei geeignete Anschlußstellen hat, von denen die eine zweckmässig in der Nähe des Kolbenkpfes /lb/ als untere Fixiernut /1d/, die andere aber bei der Gestängekupplung /10/ für den Anschluss an das Bohrgestänge, als obere Fixiernut /lc/ vorgesehen ist.

2. Probenahmegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Sperrvorrichtung /2/ wenigstens ein Fixiereinsatzstück /2c/ besitzt, das mit Hilfe der Kraft einer Druckfeder /2d/ in die Nuten /ld, le/ des Schaftes /la/ des Kolbens /1/ einschnappen kann.

3. Probenahmgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass ein oder mehrere Fixier-einsatzstück/e/ /2c/ der Sperrvorrichtung /2/ von den im oberen Teil des Gehäuses /3/ eingefügten Führungseinsatzstücken /2a, 2b/ umfasst ist /sind/.

4. Probenahmegerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass von den Führungseinsatzstücken /2a, 2b/ das untere fixe Einsatzstück /2b/ im Gehäuse /3/ fix eingebaut ist, das obere herausnehmbare Führungseinsatzstück /2a/ aber mit dem fixen Führungseinsatzstück /2b/, sowie mit dem Fixiereinsatzstück /2c/ zweckmässig durch Schrauben /2f/ lösbar zusammenbefestigt ist.

Zeichnung