CN101086158B - 用于改进土壤和/或用于举升结构的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于改进土壤和/或用于举升结构的方法和设备。在土壤或结构中提供孔(6)，将具有柔性膨胀元件(2)的注射杆(1)布置在该孔中。将通过化学反应会膨胀的物质注射进膨胀元件(2)中。填充有反应物质的膨胀元件(2)可压实、填充或替换周围的土壤或举升以及固定以地面为基部的结构。使膨胀元件(2)压靠土壤的力通过化学反应产生，该反应使注射进膨胀元件(2)中的物质发生膨胀。

Description

用于改进土壤和/或用于举升结构的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于改进(improve)土壤和/或用于举升以地面为基部的结构的方法，该方法包括：在土壤或结构中提供孔、在孔中布置注射杆和与该注射杆一起提供的膨胀元件、并将一物质注射进膨胀元件中。

本发明还涉及一种用于改进土壤和/或用于举升结构的设备，该设备包括：用于布置在孔中的注射杆和与注射杆一起提供的膨胀元件、要注射进膨胀元件的物质、和用于将所述物质注射进膨胀元件的装置。

背景技术

改进土壤是为了例如提高土壤的承载量，或为了填充土壤中空着的空间。另外，如果要抑止经由土壤传递的振动或防止由于地震发生的土壤液态化，那么土壤改进是必要的。而举升结构的过程是指例如举升和稳固建筑物或地基以免建筑物或基底发生损坏、下沉或错位。此外，举升结构的过程包括举升和稳固下沉的铺有路面的道路或运动场，例如混凝土和沥青的道路或跑道。

土壤的恶化或结构的下沉例如可能由下列情况引起：加固不足的土壤、水引起的腐蚀、在建造过程中不适当的土壤类型、土壤中摩擦力的降低、或者是温度或湿度条件的变化。此外，土壤恶化也可能是由于机械损伤产生的条件变化例如水管或下水道的破裂而引起。而且，土壤条件也会由于动态力的影响而发生变化。

为了改进土壤，承载量差的土壤由具有较好承载量的物质所替换。这样一个称为物质替换的过程是非常艰巨和昂贵的。此外，使用打桩技术，例如使用由土壤的摩擦支承的摩擦桩，或使用支靠在硬底层上的地基桩。打桩需要沉重和复杂的装备，这会给周边环境带来噪音和更多的干扰。由于打的桩要固定到结构，所以当结构由桩而不是由土壤支承时，结构会受到点载荷。

EP0851064中披露了一种用于改进土壤承载量的解决方法。在该方法中，土壤中提供有多个孔，一种通过化学反应会发生膨胀的物质注入这些孔中。EP1314824中披露了类似的解决方法，其中使用了一种可产生大于500kPa压力的物质。在实践中，我们会注意到在这些方法中，判断需注射剂量的唯一方法是监控土地的表面或建筑物的高度，当在这些方面观测到反应时就停止注射。当特别是对多孔渗水的和松软的土壤使用这些方法时，适当确定待注射物质的计量、正确引导膨胀力、以及使所述物质保持在预期位置的过程都是非常复杂艰巨的工作。

JP7018651中披露了一种解决方法，其中在土壤中钻出的孔中布置了可膨胀袋体。一硬化剂在高压下泵送进袋中。由于使用高液压，所以所用的设备很复杂，例如需用在不同条件下都故障灵敏的阀。此外，在松软的土壤中，很难确定袋子所处的位置，因此很难依靠这种方法来压实松软土壤的部分。此外，如果袋破裂了，压实过程就会完全失控。JP10195860中披露了类似的解决方法，其中使用可变形的袋子。该方法也存在着与上述问题相似的问题。JP2003105745中披露了一种解决方法，其中向土壤或布置在土壤中的袋子中注射塑性灰浆。当向袋子中注射物质时，这一方法中也存在上述披露的问题。

JP9158235中披露了一种用于校正建筑物的倾斜的方法。该方法包括钻一孔，该孔在建筑物的地基下延伸。在该方法中，在地基的下面布置一可变形的袋子，水和固结物质通过各自单独的管子被输送进袋。目的是通过填充袋子来举升建筑物。这种方法也需要使用非常高的液压，从而导致需用复杂和故障灵敏的装备。该装备还包括多个管子，这也增加了该装备的复杂性。而且，如果在使用中袋破裂了，在该特定袋子上的结构可能会塌陷，因此这种方法非常危险。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的用于改进土壤和/或用于举升结构的方法和设备。

本发明方法的特征在于使用例如注射一种通过化学反应会膨胀的物质，从而使膨胀元件压靠土壤的力主要通过该化学反应产生。

此外，本发明设备的特征在于要注射进膨胀元件中的物质是通过化学反应会发生膨胀的物质，从而使膨胀元件压靠土壤的力主要通过化学反应产生。

本发明的思想是：在土壤或结构中钻一孔，在孔中布置附有可填充膨胀元件的注射杆。将通过化学反应会发生膨胀的物质注射进膨胀元件中。填充有反应后的物质的膨胀元件压实、填充或替换周围的土壤或举升以及稳固以地面为基部的结构。使膨胀元件压靠土壤的力通过化学反应产生，该反应使注射进膨胀元件中的物质发生膨胀。所述物质也会非常迅速地变硬，所以在这种方法中不需使用将物质保持在膨胀元件中的阀。膨胀元件可确保以可控方式将膨胀物质放置在预定位置。因此，膨胀压力的定位是完全可控的。例如在松散的土壤中，所述物质也可提供高的抗压强度。注射杆可布置在很小的孔中，因此不需要进行大量的挖掘工作。因为所述物质非常迅速地变硬，所以如果膨胀元件破裂，所述物质也不会发生大范围和不受控制的运动。此外，当用于举升结构时，膨胀元件的破裂不会显著损坏建筑物地基的强度。总而言之，本方法中要用的机器和设备非常小而简单，而且工作安全性也很好。

第一实施例的思想是将注射杆原位留在土壤中，以将膨胀元件和在其中膨胀的物质固定在适当的位置。这可确保膨胀元件在松软土壤中也会保持在预定位置。

第二实施例的思想是将注射杆布置成穿过膨胀元件，在注射杆的侧部提供用于将所述物质注射到膨胀元件中的开口，以允许物质进入膨胀元件中。该方法是简单实用和有效的方法。

第三实施例的思想是膨胀元件基本上不透气，从而在膨胀元件中设有气密的膨胀空间，以确保膨胀反应以可控方式来实现。

附图说明

下面将结合附图对本发明进行更详细的描述，其中

图1示意性地示出注射杆和膨胀元件的横截面侧视图；

图2示意性地示出布置在适当位置的图1中的杆和膨胀元件，其中，注射物质已经起反应；

图3示意性地示出改进土壤承载量的方式；

图4a示意性地示出第二注射杆和膨胀元件的横截面侧视图；

图4b示出图4a所示方法中膨胀元件已填充满的情况；

图5示意性地示出布置在保护管内部的注射杆和膨胀元件的横截面侧视图；

图6示意性地示出与较大的管一起布置的注射杆和膨胀元件；

图7示意性地示出以图6的方式与较大的管一起布置的注射杆和膨胀元件；以及

图8示意性地示出如何举升结构。

为了清楚起见，附图以简化的方式示出本发明的一些实施例。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

图1示出注射棒或注射杆1。在图1所示的实施例中，注射杆1的上端是中空的，而其下端是封闭的。注射杆1的外径可在例如3至200mm之间变化。注射杆1的长度可在例如0.5至100m之间变化。注射杆1可由例如金属如钢制成。

注射杆1也可由其它材料制成，例如塑料如聚乙烯PE。此外，注射杆1不必须是坚硬的。因此注射杆1也可是例如塑料制成的软管或管子。

可填充的膨胀元件2布置在注射杆1的周围。膨胀元件2优选由不透气并基本不能伸展的材料制成。该材料的例子是土工织物。此外，也可以使用其它柔韧且坚固的材料。膨胀元件2的壁厚可在例如0.02至5mm之间变化，这取决于膨胀元件2的材料、大小和膨胀压力等。注射杆1优选贯穿膨胀元件2来布置，以便膨胀元件2可例如以图1所示的方式通过下部紧固件3a和上部紧固件3b来固定在注射杆1上。在将注射杆1置入土壤中之前，膨胀元件2缠绕或叠靠在注射杆1上。当膨胀元件2被固体物质完全填充后，其外径可在例如20cm至5m之间变化。同样地，膨胀元件2的长度，也就是下部紧固件3a和上部紧固件3b之间的距离，可在例如20cm至100m之间变化。

膨胀元件2也可是例如柱状套管的形式。而且，膨胀元件2的上端和下端可以较窄，而其中间部分的直径可以较大。膨胀元件2在注射物质之前的外形是无关紧要的。当所述物质在膨胀元件内部起反应之后，膨胀元件会达到其最后的外形。

下部紧固件3a和上部紧固件3b也可以是例如软管夹。此外，紧固件也可以是例如通过切断一个管而提供的金属套管。金属套管可通过例如径向压力来固定就位。

图1进一步示意性地示出注射机构4，该注射机构包括用于贮存要注射到膨胀元件2中的物质的容器，和用于将物质从该容器输送至注射杆1的中空的上部的装置。上述装置的结构可以非常简单且轻质，因为它们不需要产生任何使膨胀元件2在土壤中膨胀的压力。所述装置产生的压力使待注射的物质通过软管和管子输送至膨胀元件，但是该装置不产生实际的膨胀压力，膨胀压力以化学方法在膨胀元件2内部产生。在这里没有对注射机构4进行详细的描述，因为它的结构和操作对本领域技术人员来说是很清楚的。

可注射的物质如图1中箭头所示的方向流动通过注射杆1的中空的上端，并经由注射杆1的侧壁上提供的开口5流入膨胀元件2中。在膨胀元件2中会发生化学反应，从而所述物质会在膨胀元件2中发生膨胀。

图2中示出了一种情形，其中注射杆1已置入土壤中，且膨胀元件2内部的物质已发生反应，从而使膨胀元件2膨胀。

首先，使用适当的方法测量土壤的承载量和其它必要的土壤情况。土壤的承载量可通过例如硬度计或其它地质的、或土工的分析方法来测量。测量和分析使得能进行与土壤相关的计算。在测量、分析和计算的基础上，可在土壤中确定要进行处理的位置。这种对要进行处理的位置的定位取决于土壤的情况。目的是获得土壤竖直方向上、水平方向上以及侧向的清晰的图像，以便能够精确地处理土壤。在得到的结果的基础上，制造注射杆1并将膨胀元件2固定在注射杆上。根据土壤状况选择膨胀元件2的高度和体积及膨胀元件2的数量。当这种方法用于举升结构时，膨胀元件的大小自然也受到待处理结构的大小、重量和举升需求的影响。在土壤中钻出孔6。将配备有膨胀元件2的注射杆1布置在孔6中。将可膨胀物质注射进膨胀元件2中。可膨胀材料可以是例如聚合物、膨胀树脂、或有机不结晶的以化学方法膨胀的多组分物质。可注射的物质优选是这样一种物质，其在注入膨胀元件2之后的0.5至3600秒内开始起反应膨胀。在一实施例中，所述物质自注射20秒以上或25秒以上后开始起反应，从而膨胀元件2可被均匀地填充满，且破裂的危险很小。而且，在一实施例中，所述物质在注射之后的50秒后开始起反应，这让该过程易于控制。

物质可膨胀至它最初体积的例如1至120倍。物质的膨胀系数，也就是在反应结束时物质的体积与在反应开始时物质的体积之比，可以例如约1.1至120。优选地，物质被设置为可膨胀至其最初体积的1.5至20倍。

膨胀材料根据周围土壤的类型或密度来压实、填充或替换周围的土壤。最终获得的结果可使用土壤测量方法进行测量。在这种情况下，也例如可以使用硬度计或其它土工测量仪器来进行测量。

优选地，所述物质可很快地达到非常高的抗压强度。所述物质达到高抗压强度所需的时间长度取决于很多不同的因素，例如物质的量、膨胀元件的容积、物质的反应速率、主要温度条件、周围的土壤和土壤承受的负载。所述物质可在大约10至15分钟内达到其最终抗压强度的例如80％至90％。这样，例如在举升结构时，膨胀物质能够承受负载，且即使在膨胀元件2破裂时也不会引起严重的反作用。向膨胀元件2中注射的物质的量取决于膨胀元件2的容积以及确定的土壤的承载量，此外还取决于预期的效果。确定物质的量的过程需要可注射物质的其它情况，也就是关于物质的膨胀量、膨胀时间和产生的力的量的数据。因此，物质的量受到其它情况的影响。其次，确定利用可用空间即膨胀元件2的容积的方式。例如在进行举升的情况下，不总是需要将膨胀元件2填充至其最大值。

物质的最终抗压强度可在注射之前以可控方式来确定。这样，根据土壤抵抗力和可用空间即膨胀元件2容积，可预先确定，即在注射之前确定物质的最终抗压强度。

由所使用的物质产生的压力，也就是单位表面积上的力，可在例如1毫巴至800巴之间变化。物质的抗压强度可在例如1毫巴至3000巴之间变化。物质的最终密度可在例如10至1200kg/m³之间变化。

因此膨胀元件2可以是例如由柔性材料制成的侧壁限定出的柱状套管或其它类似结构。注射杆1不必须穿过膨胀元件2，而是膨胀元件2可固定到例如注射杆1的端部上。在这种情况下，膨胀元件2可以是例如袋或包且仅在其一个位置固定在注射杆1上，从而物质流过中空的注射杆1并从其端部流至膨胀元件2。

如果土壤松软适宜，且注射杆1足够坚硬的话，可通过将注射杆1推进土壤来提供孔6。在这种情况下，提供孔和将注射杆1布置在孔中这两个过程同时进行。

土壤分析可显示出土壤中存在的应被填充的空腔。注射杆1很容易布置在空腔中，例如根据图1中的注射杆1穿过空腔。这样膨胀元件2设置在特定的空腔中。在膨胀元件2内部的可膨胀物质填充空腔，且膨胀元件2防止可膨胀物质从空腔中渗出。

如果需要，所述过程可包括从土壤中移除注射杆1，以便只有膨胀元件2保留下来填充预期的位置。不过注射杆1也可以留在原来位置上，以将膨胀元件2和其中的物质牢固地固定在适当位置。

图2示出一种情形，其中具有较低承载量的土层7b位于上部承载土层7a和下部承载土层7c之间。确定出膨胀元件2的尺寸，以填充具有较低承载量的土层7b。注射杆1的上端和下端牢固地固定在承载土层7a和7c中。在这种情况下，即使具有较低承载量的土层非常松软，膨胀元件2和其中的物质也会处于适当的位置上。

图3示意性地示出如何有可能改进具有较低承载量的土层7b。并排布置多个配备有膨胀元件2的注射杆1。如必要的话，也可以通过每多个膨胀元件使用一个注射杆1，或通过每一个膨胀元件2使用一个自己的注射杆1，来彼此叠置地布置多个膨胀元件2。这样，含有反应物质的膨胀元件2可用来支承上部土层7a。这确保土壤的承载量得到大大地改进。具有较低承载量的土层7b不必被压实，但如图3中的方法可确保在任何情况下总的承载量都会被改进。

在附图中，注射杆1示出为附有一个膨胀元件2，但是如果需要，两个或多个要填充可膨胀物质的膨胀元件2可布置在一个注射杆1上。

如图4a所示，膨胀元件2不必须布置在注射杆1的外部。如果注射杆1的内径足够大，例如至少为50mm，则膨胀元件2可被折叠于注射杆1的内部。在这种情况下，膨胀元件2可以是例如袋或包，该袋或包在其嘴部固定在注射杆1的下端。如图4b所示，当物质随后注射进膨胀元件2中时，物质会将膨胀元件2推出到注射杆1外。

如图5所示，可在注射杆1和膨胀元件2的外部布置保护管8。注射杆1和膨胀元件2可通过保护管8而用力推入土壤中。在物质注射进膨胀元件2之前拔出保护管8。

图6中示出一结构，其中在具有较大直径的管9的侧壁上布置多个膨胀元件2。用于将物质注射进膨胀元件2的软管用作注射杆1。软管可布置在具有较大直径的管9的内部。

在图7的实施例中，膨胀元件2布置在较大的管9的外部。在图7的实施例中，两个膨胀元件2布置成彼此叠置，并通过紧固件3a、3b和3c固定。在该实施例中，用作注射杆1的软管也布置在具有较大直径的管9的内部。

图8示出举升以地面为基部的结构10的基本原理。在举升过程中可通过观测以地面为基部的结构的垂直移动来决定注射量。观测垂直移动可以指观测结构何时开始移动，或观测结构何时已上升预期距离。在图8中，以地面为基部的结构10设定为公路路面。当举升以地面为基部的结构时，膨胀元件至少部分由土壤支承。

在一些情况下，本申请中公开的特征可独立于其它特征使用。另一方面，在必要时，也可对本申请中提出的特征进行组合，以提供不同的组合。

附图和相关的描述只用来说明本发明的思想。对于本发明的具体情况，可在权利要求的范围内进行变化。

除了改进土壤，上述公开的解决方法也可例如用于举升以地面为基部的结构，从而例如被损坏的、下陷的或错位的建筑物或地基或结构的基底可被举升和固定。此外，所述方法可用于例如举升和固定下陷的铺有路面的道路。在结构下方存在空着的空间是举升过程的必要条件。在这种情况下，可穿过结构设置孔，且在孔中布置注射杆，以便将膨胀元件设置在空着的空间内。接下来，如上所述地填充膨胀元件，从而在膨胀元件内部发生的化学膨胀反应填充空着的空间。注射杆1可垂直向下地或斜向下地布置。此外，例如当处理路基中的土壤时，注射杆1也可水平布置。该方法也可用于举升和固定桥梁的桥墩或引桥。

优选地，根据土壤性能、膨胀元件的容积和预期效果，在注射前确定注射进膨胀元件中的物质的量。可通过监控被填充的膨胀元件来确定待注射的量。这种监控可通过例如地质雷达来进行。在这种情况下，膨胀元件的材料例如可选择为在雷达中可见。例如，膨胀元件的侧壁可以设有金属纤维，以使膨胀元件在雷达中清晰可见。此外，待注射物质的量可通过监控土壤的坚实度或填充材料的密度来确定。另一种方法是在膨胀元件的内部、或膨胀元件的壁中、壁的内侧或外侧布置压力传感器。压力传感器也可以在膨胀元件的附近布置在土壤中，也就是布置在膨胀元件的外部。此外，膨胀元件的大小可通过热成像摄影机来监控。

监控被填充的膨胀元件以确定注射量的过程也可这样进行，使得物质被注射进膨胀元件直至膨胀元件由于物质的膨胀而破裂，但是物质的膨胀不会损坏正在维修的结构。膨胀元件的破裂可通过声音或震动观测到。但是在破裂前膨胀元件2已限定物质保持在特定位置。物质会很快变硬，从而即使膨胀元件破裂，即使在松软的土壤中，所述物质也不会从注射位置蔓延很长距离。

优选地，膨胀元件的壁由气密材料制成。在这种情况下，膨胀元件中是无氧气的。当膨胀元件的内部无氧时，物质的反应非常好控制。另一方面，也不需要在膨胀元件内部完全无氧。但是，无氧壁可确保基本没有氧气从外部进入膨胀元件。当膨胀元件的壁可防止附加的氧气提供时，物质的膨胀反应能因此被置于控制之下。

也不需要在膨胀反应之后膨胀元件的壁必须保持完好无损。但是在膨胀反应的开始，膨胀元件限制可膨胀物质，以将其保持在预定区域内，以便甚至在多孔隙土中，物质都不会开始蔓延。如果物质的反应即变硬足够快，则即使膨胀元件的壁破裂了，在土壤中也不会出现无法控制的物质蔓延。

Claims (20)

1.一种用于压实、填充或替换土壤的方法，该方法包括在土壤中提供孔(6)、在孔(6)中布置注射杆(1)和与注射杆一起提供的膨胀元件(2)、并将一物质注射进膨胀元件(2)中，其特征在于，注射这样一种物质，该物质通过化学反应会膨胀，并且让该物质在膨胀元件内膨胀，从而使膨胀元件(2)压靠土壤的力主要通过化学反应产生。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在注射之前确定土壤的特性，并根据土壤特性、膨胀元件(2)的容积和预期效果在注射之前确定要注射进膨胀元件(2)中的物质的量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过监控被填充的膨胀元件(2)来确定要注射进膨胀元件(2)中的物质的量。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过地质雷达来监控被填充的膨胀元件(2)。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过压力传感器来监控被填充的膨胀元件(2)。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过热成像摄影机来监控被填充的膨胀元件(2)。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过听觉和/或感觉来监控被填充的膨胀元件(2)，以便在膨胀元件(2)破裂后终止向膨胀元件(2)中注射物质的过程。

8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在物质发生膨胀之后，将注射杆(1)连同膨胀元件(2)都留在原位。

9.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，将注射杆(1)布置成穿过膨胀元件(2)，并使物质经由在注射杆(1)的侧壁上提供的开口(5)流进膨胀元件(2)中。

10.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，使物质的膨胀反应在膨胀元件(2)中的气密空间内进行。

11.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，使物质在注射进膨胀元件(2)内超过25秒之后开始反应。

12.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，使物质在注射进膨胀元件(2)之后的50秒以内开始反应。

13.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，使物质膨胀至其原有体积的1.5至20倍。

14.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，在注射之前确定要注射物质的最终抗压强度。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，根据土壤的抵抗力和膨胀元件(2)的容积确定待注射物质的最终抗压强度。

16.一种用于压实、填充或替换土壤的设备，该设备包括要布置在孔(6)中的注射杆(1)和与该注射杆一体提供的膨胀元件(2)、要注射进膨胀元件(2)中的物质、和用于将物质注射进膨胀元件(2)中的装置(4)，其特征在于，要注射进膨胀元件(2)中的物质是通过在膨胀元件内化学反应会发生膨胀的物质，从而使膨胀元件(2)压靠土壤的力主要通过化学反应产生。

17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，注射杆(1)布置成穿过膨胀元件(2)，其中膨胀元件(2)在下端通过下部紧固件(3a)固定在注射杆(1)上，在上端通过上部紧固件(3b)固定在注射杆上；在注射杆(1)的侧部设有开口(5)，所述物质允许经由该开口流进膨胀元件(2)。

18.如权利要求16或17所述的设备，其特征在于，膨胀元件(2)由气密材料制成。

19.如权利要求16或17所述的设备，其特征在于，膨胀物质在注射进膨胀元件(2)内超过25秒之后开始膨胀反应。

20.如权利要求16或17所述的设备，其特征在于，膨胀物质可膨胀至其原有体积的1.5至20倍。

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