DE3604712A1

DE3604712A1 - Verfahren und einrichtung zur bestimmung des auftretens von umlagerungsvorgaengen im boden

Info

Publication number: DE3604712A1
Application number: DE19863604712
Authority: DE
Inventors: Hans A K Dr Edelmann
Original assignee: Prakla Seismos GmbH
Current assignee: Geco Prakla GmbH
Priority date: 1986-02-14
Filing date: 1986-02-14
Publication date: 1987-08-20
Also published as: FR2594558B1; DE3604712C2; US4755976A; FR2594558A1

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Bestimmung des Auftretens von Umlagerungsvorgängen im Boden, während ein Vibrator seismische Energie in den Boden überträgt, sowie weiter eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden neben der Sprengstoffseismik vielfach hydraulische Vibratoreinrichtungen verwendet, um seismische Energie in den Boden zu übertragen, um z. B. durch Sprengseismik nicht erfaßbare Gebiete erforschen zu können. Für die Erzeugung und Ausbreitung von seismischen Signalen im Untergrund werden elastische Vorgänge im Boden angenommen. Es ist daher notwendig und ausreichend, eine elastische Anregung des Untergrundes vorzunehmen, um mit möglichst hohem Wirkungsgrund seismische Energie zu übertragen. Zu diesem Zweck werden häufig an geländegängigen LKW's Vibratorplatten angebracht, die die seismische Energie in den Boden übertragen.

Mit Hilfe eines Liftsystems wird der Vibrator in Arbeitsstellung gebracht, d. h. auf den Boden aufgesetzt. Damit die Vibratorbodenplatte während des Vibrierens nicht vom Boden abhebt, muß sie mit einer Kraft angepreßt werden, die größer ist als die Kraftamplitude des Vibrators.

Wegen der hohen Drücke, die in der Nähe der Bodenplatte des Vibrators auftreten, führt die Beanspruchung des Bodens häufig zu einer bleibenden Verformung. In bestimmten Fällen ist diese Verformung zunächst erwünscht, um eine Vorverdichtung des Bodens vorzunehmen, wodurch Übertragungsverluste vermindert werden können. Diese Übertragungsverluste sind durch Reibung und Umlagerung im Bereich der Bodenplatte verursacht. Nach Abschluß des Setzungsvorganges ist nur noch eine elastische Beanspruchung erwünscht.

Beim Arbeiten auf befestigten Böden, z. B. Straßen, ist ein vorheriger Setzvorgang unerwünscht. Hier kann eine Setzung zu Schäden führen, die zu vermeiden sind.

Bei einer Anregung des Bodens mit steigender Schwingamplitude der Vibratorplatte kann andererseits ein Bereich erreicht werden, in dem die elastische Verformung zu einer plastischen Verformung des Untergrundes führt, welches ebenfalls zu Flurschäden führt.

Die Kontrolle des Übergangs von elastischer zu plastischer Verformung des Untergrundes ist daher nicht nur im Hinblick auf den Wirkungsgrad seismischer Anregung, sondern auch im Hinblick auf die Vermeidung von Straßenschäden wünschenswert.

Moderne Vibratoren bieten die Möglichkeit, die auf den Boden ausgeübte Kraft zu messen und zu überwachen. Anhand dieser dynamischen Kraft und in Verbindung mit der statischen Auflast läßt sich die Beanspruchung des Bodens beurteilen. Leider lassen sich für viele Straßenbauwerke die zulässigen Kräfte nicht genau angeben, so daß eine Festlegung von Grenzwerten unter Berücksichtigung von Sicherheiten wohl vor Straßenschäden schützen kann, eine effektive Anwendung der Vibratoren für die Seismik jedoch nicht mehr möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung des Auftretens von Umlagerungsvorgängen im Boden anzugeben, die es während des Betriebes der Einrichtung ermöglichen, den Zeitpunkt und die Stärke von Umlagerungsvorgängen oder anderen energieaufnehmenden Veränderungen im Boden zu erkennen und somit eine Schädigung des Untergrundes zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 5 angegebene Erfindung gelöst. Weitergehende Merkmale der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich der Zeitpunkt bestimmen, an dem die Anregung mit seimischer Energie ein Maß erreicht, das Schäden am Untergrund hervorrufen kann. Die Anzeige der Wirkleistungskomponente der seismischen Anregung des Bodens läßt sich daher in vorteilhafter Weise verwenden, um den Grenzwert festzustellen, bis zu dem eine Anregung des Bodens erlaubt bzw. möglich ist, ohne Schäden hervorzurufen. Die Erkennung des Auftretens einer Wirkleistungskomponente hat weiterhin den Vorteil, daß die abgegebene Blindleistungskomponente, die allein für seismische Zwecke verwendet wird, maximiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Einrichtung verwendet Beschleunigungsaufnehmer an der Bodenplatte, aus deren Meßsignal die Kraft- und Geschwindigkeitskomponenten abgeleitet werden. Diese Komponenten werden durch arithmetische Verknüpfungen derart verbunden, daß als Ausgangssignal ein Meßwert entsteht, der der Wirkleistungskomponente der in den Boden übertragenen Energie entspricht. Bei den in der Praxis verwendeten Vibratoren ist normalerweise die Bodenplatte gegen eine Reaktionsmasse abgestützt. Die Kraftkomponente der Anregungsenergie wird daher in diesem Fall durch gewichtete Addition der Kraftkomponenten an den einzelnen Massen ermittelt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die am Ausgang zur Anzeige gebrachte Wirkleistungskomponente verwendet werden, um z. B. die Amplitude des Ansteuersignals des Vibrators zu steuern bzw. zu regeln, um so die Blindleistungskomponente auf Maximum einzuregeln.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt ein Blockschaltbild der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich der Wirkung der Reaktion des Bodens auf die mechanische Leistung. Bei verlustfreier elastischer Reaktion des Erdbodens besteht zwischen dem Druck und der Schwinggeschwindigkeit des Bodens, die als gleich der Schwinggeschwindigkeit der Bodenplatte angenommen wird, eine Phasenverschiebung von 90°. Die Phasenverschiebung verringert sich, wenn bei der elastischen Bewegung Wärme im Untergrund entsteht. Es wird von dem Vibrator in diesem Fall eine Verlustleistung abgegeben, die genau dieser Wärmeleistung entspricht. Treten im Untergrund Umlagerungsvorgänge hinzu, oder wird die Scherfestigkeit des Untergrundes überschritten, so wird zusätzlich mechanische Wirkleistung abgegeben. Wärmeleistung und mechanische Wirkleistung sind unerwünscht.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden an der Bodenplatte des Vibrators die Kraft- und Geschwindigkeitskomponenten abgeleitet und miteinander multipliziert. Der Gleichanteil des dadurch erhaltenen Ausgangssignals wird zur Anzeige des Auftretens von Umlagerungsvorgängen verwendet.

Das Ausgangssignal ergibt sich wie folgt: An der Bodenplatte 2 und der Reaktionsmasse 1 sind Beschleunigungsaufnehmer 3 bzw. 4 vorgesehen, deren Ausgangssignale nach jeweiliger Gewichtung durch einen konstanten Faktor, der der Masse der Bodenplatte bzw. der Reaktionsmasse entspricht, addiert werden.

F = m _R · a _R| + |m _B · a _B|

m _R = Masse der Reaktionsmasse
m _B = Masse der Bodenplatte
a _R = Beschleunigung der Reaktionsmasse
a _B = Beschleunigung der Bodenplatte

Das Ausgangssignal des Addierers 5 entspricht der Kraftkomponente der aufgebrachten Leistung. Diese ist eine sich sinusförmige ändernde Größe F = F _max · cosω t. Von dem Beschleunigungsaufnehmer 3 an der Bodenplatte 2 wird dessen Ausgangssignal weiterhin einem Integrator 6 zugeführt, an dessen Ausgang sich das Geschwindigkeitssignal der Bodenplatte 2 einstellt. Dieses Geschwindigkeitssignal ist ebenfalls eine sinusförmige Größe mit folgender Formel V _B = V _Bmax · cos (ω t + ϕ). Die Geschwindigkeitskomponente ist gegenüber der Kraftkomponente um den Winkel ϕ phasenverschoben.

Kraft- und Geschwindigkeitskomponente werden nun in einem Multiplizierer 9 miteinander multipliziert, woraus sich folgende Formel für den Augenblickswert der Leistung ergibt:

P = F · V _B = F _max · cosω t · V _Bmax- · cos (ω t + ϕ)

Das Ausgangssignal entspricht daher

P = 1/2 F _max · V _Bmax (cosϕ + cos (2ω t + ϕ))
P = 1/2 F _max · V _Bmax · cosϕ +1/2 F _max · V _Bmax · xos (2ω t + ϕ)

Die gemessene Leistung setzt sich demnach bei konstantem Phasenwinkel zusammen aus einer konstanten Größe, die auch als Wirkleistung bezeichnet werden kann, und einer Komponente, die mit der doppelten Kreisfrequenz 2 ω oszilliert.

Bei plastischer Verformung und Umlagerung des Bodens wird Energie umgesetzt, die dem System entzogen wird. Diese Leistung entspricht der gemessenen Wirkleistungskomponente, d. h. dem Gleichwertanteil. Dieser beträgt daher:

P _w = 1/2 · F _max · V _Bmax · cosϕ

Die Größe P _w bildet demnach ein Maß für den Grad der plastischen Verformung und Umlagerung und damit für die durch die Kraft F verursachten Einwirkungen auf den Boden. Die derart dargestellte Wirkleistungskomponente der in den Boden übertragenen Leistung kann in vorteilhafter Weise neben der Anzeige auch zur Regelung oder Steuerung des Ansteuersignals des Vibrators verwendet werden um so die Erzeugung der Wirkleistungskomponente überhaupt zu vermeiden und andererseits die Blindleistungskomponente zu maximieren.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus Beschleunigungsaufnehmern 3, 4, deren Ausgangssignale nach Gewichtung in den Multiplizierern 12 und 13 durch den Massen entsprechende Faktoren im Summerier 5 addiert werden. Die Gewichtung kann z. B. dadurch vorgenommen werden, daß die Verstärkungsfaktoren eines zur Addition verwendeten Operationsverstärkers entsprechend den Massen eingestellt werden.

Die Beschleunigungskomponente an der Bodenplatte (2) wird weiterhin einem Integrator (6) zugeführt, der ebenfalls durch einen Operationsverstärker realisiert werden kann. Die Ausgangssignale des Addierers (5) und des Integrators (6) werden nun einem Multiplizierer (9) zugeführt, an dessen Ausgang sich unmittelbar ein Maß, z. B. die Spannung U für die Wirkleistungskomponente, nach Abtrennung der mit doppelter auf Kreisfrequenz schwingenden Blindleistungskomponente angeben läßt.

Der Gleichanteil des Ausgangssignals kann auf elektronischem Wege, oder auch unmittelbar in einem Gleichspannungsinstrument, abgetrennt werden und zur Anzeige gebracht werden.

Zwischen dem Addierer 5 und dem Multiplizierer 9, bzw. dem Integrator 6 und dem Multiplizierer 9 können Frequenzbandfilter eingefügt werden, die als Tiefpaß ausgebildet oder als Bandpaß realisiert werden können. Die Durchlaßcharakteristiken der Filter 7 und 8 können von dem Ansteuersignal des Vibrators angesteuert werden, um bei der Anregung mittels Sweep- Signalen eine Verschiebung der Eckdaten der Filter zu erreichen.

Derartige Filter werden als Mitlauffilter bezeichnet. Beide Filter sind in ihrem Aufbau gleich, so daß die durch die Filter erzeugte Phasenverschiebung für die Kraft und die Geschwindigkeit gleich groß ist.

Vom Ausgang des Multiplizierers 9 kann das Signal zum Steuerteil 11 des Vibrators rückgeführt werden, um eine Steuerung oder selbsttätige Regelung zu ermöglichen.

Die einzelnen Schaltungselemente der erfindungsgemäßen Einrichtung können in analoger Schaltungstechnik realisiert werden, es kann aber auch eine Rechenanlage verwendet werden, die ohnehin in einem Vibratorfahrzeug verwendet ist.

Bezugszeichenliste: 1 Reaktionsmasse
2 Bodenplatte
3 Beschleunigungsaufnehmer
4 Beschleunigungsaufnehmer
5 Addierer
6 Integrator
7 Mitlauffilter
8 Mitlauffilter
9 Multiplizierer
10 Anzeigeeinheit
11 Steuerteil
12 Multiplizierer
13 Multiplizierer

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Auftretens von Umlagerungsvorgängen im Boden, während ein Vibrator seismische Energie in den Boden überträgt, bei dem die Energie über eine Bodenplatte auf den Boden übertragen wird, und die Bodenplatte gegen eine Reaktionsmasse abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungskomponenten an der Bodenplatte und der Reaktionsmasse ermittelt und mit der zugehörigen Masse gewichtet werden, daß die dadurch erhaltenen Kraftkomponenten summiert werden, daß die Beschleunigungskomponente der Bodenplatte zu einer Geschwindigkeitskomponente integriert und mit den summierten Kraftkomponenten integriert und mit den summierten Kraftkomponenten multipliziert wird, und daß der Gleichanteil des dadurch erhaltenen Ausgangssignals zur Anzeige des Auftretens von Umlagerungsvorgängen verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichanteil des Ausgangssignals zur Gegensteuerung der Amplitude des Ansteuersignals des Vibrators verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Kraft- und Geschwindigkeitskomponenten über Frequenzbandfilter geleitet werden, deren Durchlaßcharakteristiken von der Frequenz des Ansteuersignals des Vibrators gesteuert werden.

4. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung des Auftretens von Umlagerungsvorgängen im Boden nach Anspruch 1, bei der ein Vibrator seismische Energie in den Boden überträgt, und wobei an der Bodenplatte des Vibrators ein erster Beschleunigungsaufnehmer und ein weiterer Beschleunigungsaufnehmer (4) an einer Reaktionsmasse (1) des Vibrators, gegen die die Bodenplatte (2) elastisch abgestützt ist, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des ersten Beschleunigungsaufnehmers (3) sowohl einem Integrator (6) zugeführt als auch zur Bildung einer Kraftkomponente mit einem von der Masse der Bodenplatte (2) abhängigen Faktor gewichtet wird, daß das Ausgangssignal des weiteren Beschleunigungsaufnehmers (4) mit einem von der Masse der Reaktionsmasse (1) abhängigen Faktor gewichtet wird und daß die gewichteten Ausgangssignale der Beschleunigungsaufnehmer (3, 4) der Bodenplatte (2) und der Reaktionsmasse (1) zur Bildung der gesamten Kraftkomponente einem Addierer (5) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal mit einem Ausgangssignal des Integrators (6) in einem Multiplizierer (9) multipliziert wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Multiplizierers (9) der Ansteuereinheit des Vibrators zugeführt wird in dem Sinne, daß die Amplitude des Ansteuersignals bei Auftreten eines Gleichanteils, der oberhalb eines Schwellwertes liegt, verringert wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kraftkomponente bildende Signal und das Ausgangssignal des Integrators (6) über frequenzabhängige Filter (7, 8) geleitet werden.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (7, 8) Bandpaßfilter sind, deren Durchlaßcharakteristiken in Abhängigkeit von der jeweiligen Grundfrequenz des Ansteuersignals des Vibrators gesteuert sind.