DE10048089C2 - Device for the monolithic removal of floor columns - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur monolithischen Entnahme von Bodensäulen, insbesondere mit großem Volumen, gemäß dem Anspruch 1.The invention relates to a device for monolithic Removal of floor columns, especially with large volumes, according to claim 1.
Für Untersuchungen des Wasser- und Stoffhaushaltes an Böden in Freilandlysimetern oder Säulenapparaturen im Labor werden ungestörte Bodensäulen benötigt.For investigations of the water and substance balance in soils in field lysimeters or column apparatus in the laboratory undisturbed floor columns are required.
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).Previous removal technologies have required the use of large ones Construction machinery or special devices such as excavators, Wheel loader, trestle with pulley and ballast, to do that Pushing or ramming the lysimeter vessel into the ground (DVWK Water Management Rules, Issue 114, 1980 "Recommendations for the construction and operation of lysimeters ", Pütz, Th., Stork, A., Führ, F .: Lysimeter-Accomprehensive Approach of Environmental Research, publication research center Jülich from April 8th, 1997; DIN 19672, sheet 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.Pressing into the ground presupposes that Lysimeter tube is dug around. The vertical Alignment of the lysimeter vessel to the depth of the can are not guaranteed. Directional corrections that are usually carried out with the same excavator, usually lead to breakdowns in the monolith, causing the original floor structure with its trained Pore system destroyed and thus the accuracy of the water and material household investigations to be carried out be permanently impaired. On top of that, through digging up the lysimeter vessel without being there Pressing it into the ground is impossible, a bigger one Excavation pit in the extraction area arises, their manufacture and securing is cost-intensive and also the location damaged.
Es ist eine spezielle Vorrichtung bekannt, mit der das Einschlagen und das häufig nicht kontinuierlich durch führbare 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).A special device is known with which the Impact and often not continuously feasible pressing of the lysimeter vessel into the ground can be improved (Hantschel, R .: "New building one Lysimeter system at the GSF Research Center for Environment and Health ", communications from the German Soil Science Society, 1993, ISSN-0343-107X, volume 71, pp. 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.With this device the force is applied over several continuously working spindles on the lysimeter tube transfer. A breakout of the vessel from the vertical is arranged by the around the lysimeter Spindles prevented. The one with this extraction technology necessary press-in forces are very high. It's the Use of extensive construction technology required, which also must have a high weight (approx. 50 to 100 t Net mass). Such techniques are costly and in many locations due to the limited accessibility Not insertable.
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).There are also a variety of methods and Devices for removing small-volume floor columns for soil, sediment and soil investigations as Known samples, which are then further investigated in the laboratory, destroyed and discarded or for later investigation be kept (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.The extraction is from US 14 569 83 and from DE 196 23 780 C2 known from laboratory columns or columns for batch tests. It this is a completely different scale range than in the production of large-volume floor columns for Lysimeter, i. H. around much smaller pillars (liners). at the columns are not lysimeters in shape of a measuring device, but only around objects for Examination of certain parameters, not as with the Lysimeter for the study of complete processes or their simulation. A planting of these smaller ones Columns are not provided and also not possible.
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.In US 14 569 83 a device for Soil sampling from the undisturbed zone described, in which a core tube has an outer worm gear is introduced vertically into the ground, being at the top a pre-cutting device is arranged. There occur very high torques that are difficult to control, if a soil pillar with larger dimensions is removed shall be. The device is only for the removal of small-volume floor columns can be used economically. The The screw conveyor described is not for everyone Suitable for soil types and is quickly jammed by stones or glued through damp soil.
Aus der DD 214 214 ist ein Verfahren bekannt, welches die Möglichkeit zur konstruktiven Gestaltung einer Unterdruck vorrichtung 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.From DD 214 214 a method is known which the Possibility to constructively design a vacuum device treats to the base of the lysimeter to win the leaking water. It doesn't flow according to the principle of gravitation, but is by Vacuum applied.
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.The described large-volume soil sampling using a lysimeter has all the disadvantages of "Pricking cylinder principle" and requires the use heavy engineering, which disturbs the natural environment the soil sample.
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.In DE 39 01 077 C1 the disadvantages, which are the Pressing in the floor pillar arise through the intended The pages were only partially cut free.
Das Verfahren sieht dabei das Ausheben eines Schürfgrabens, die Anordnung von Trennscheiben, die Ausbildung des Lysi metergefäßes 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.The process sees the digging of a trench, the arrangement of cutting discs, the formation of the Lysi meter vessel as a polygon, the formation of a Support structure and the pressing of the cylinder over an excavator bucket with the associated high Compressive forces to press in the cylinder and this existing risk of occurrence of a hydraulic Grundbruch, before.
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 ursprüng lichen, natürlich gewachsenen Bodenstruktur am Standort.The object of the invention is a Develop device with which the described Disadvantages of the prior art are avoided and with which is the monolithic removal of floor columns, especially with large volume, so it is guaranteed that the natural soil structure is largely preserved remains, so that water movement and mass transfer can be done in the same way as in the original natural, naturally grown soil structure at the site.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.The object of the invention is achieved by the device solved the features of claim 1.
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. In this device, a support crossbar with an axial and radially adjustable guide for linear vertical Guidance of a lysimeter vessel receiving the soil column available until the intended extraction depth is reached, being on the floor facing side of the Lysimeter vessel a milling unit and a drive for radial pre-cutting of the contour of the floor column arranged are, the lysimeter vessel by its own weight in penetrates the floor, the milling unit a Has milling sleeve that the lysimeter vessel with radial play and encircling teeth has, in which the drive engages, which by means of another cuff firmly with the lysimeter tube is connected, on the milling collar at its the Floor facing side adjustable in its working angle Soil chisels with cutouts are arranged that the Grip the flange of the lysimeter tube.
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.With this device in particular the removal large-volume floor columns, also of more than one meter Diameter and more than two meters in length, largely without disturbing the natural soil structure with one acceptable and strong compared to known methods guaranteed reduced effort and effort.
Die Entnahme von Bodensäulen in schwierigem Gelände wie Flussniederungen ist in einigen Fällen erst durch die Verwendung einer solchen Vorrichtung möglich geworden.The removal of floor columns in difficult terrain such as In some cases, river lowlands is only through the Use of such a device has become possible.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims described.
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.Below, the device is based on a concrete Embodiment to monolithic Removal of a floor column of more than one meter Diameter and more than two meters in length explained.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the accompanying drawing:
Fig. 1 die schematische Darstellung der Gesamtansicht der Vorrichtung und Fig. 1 is a schematic representation of the overall view of the device and
Fig. 2 die schematische Darstellung der Gestaltung der Fräsvorrichtung und Verzahnung mit dem Lysimetergefäß. Fig. 2 is a schematic representation of the design of the milling device and teeth with the lysimeter vessel.
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 Entnahme tiefe in dieser Ausrichtung fixiert. An der bodenzuge wandten Seite des Lysimetergefäßes 3 ist eine Fräsein heit 4 angeordnet, die das Lysimetergefäß 3 konzen trisch 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.A lysimeter vessel 3 , which is to receive the soil column, is aligned exactly perpendicular to the soil surface by means of a support crossbar 1 and is fixed in this orientation by means of a lysimeter guide 2 until it is completely removed. On the bottom facing side of the lysimeter vessel 3 , a Fräsein unit 4 is arranged, which concentrically surrounds the lysimeter vessel 3 . The milling unit 4 pre-cuts the contour of the monolithic soil column to be extracted, so that the advancing lysimeter vessel 3 forms the final contour of the soil column. The bottom column completely fills the lysimeter vessel 3 when the removal depth is reached.
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.In Fig. 1, a removal device is shown, which consists of a three-legged support crossbar 1 with a suspended lysimeter guide 2 , which fixes the lysimeter vessel 3 in its position from the bottom surface to the intended removal depth. The lysimeter 3 is guided in a line at three points. At the lower end of the lysimeter vessel 3 there is a drive 8 and the milling unit 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.The drive 8 consists of a hydraulic motor and is firmly connected to the lysimeter vessel 3 by means of a sleeve 9 . The drive 8 can also be designed as an electric motor or pneumatically.
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.The milling unit 4 consists of a milling collar 5 which surrounds the lysimeter vessel 3 with radial play. The milling collar 5 can rotate freely around the lysimeter vessel 3 and has circumferential toothing 7 , in which the drive 8 engages.
An dem bodenzugewandten Ende der Fräsmanschette 5 sind sechs Stück Bödenmeißel 6 angeordnet.Six pieces of ground chisel 6 are arranged at the end of the milling collar 5 facing the ground.
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.It can be seen from FIG. 2 that these chisels 6 have cutouts 13 with which they surround the flange 14 of the lysimeter vessel 3 . When turning the milling collar 5 , the chisels 6 cut into the ground and, with their milling 13, pull the lysimeter vessel 3 into the ground. The pre-cut soil monolith is cut into its end contour by means of a lysimeter knife 12 and is taken up over the entire surface by the lysimeter vessel 3 . A pushing device 10 ( FIG. 1), which consists of a hydraulic cylinder and an axial introduction of force 11 into the lysimeter vessel 3 , serves to support the driving force.
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.After the intended removal depth has been reached, the soil monolith (soil column) is separated from the grown soil in a suitable manner, lifted out of the removal location with the lysimeter vessel 3 , transported to the lysimeter station and set up for carrying out the experiment.
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