CN1592809A - 需要使用大于500kPa压力加固基础土壤或举升非常重或大结构的方法 - Google Patents
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Abstract
一种需要施加大于500kPa压力加固基础土壤或举升非常大或重的结构的方法，它包括向需要加固的土壤或向需要举升的结构下面土壤注射物质，该物质由于化学反应的结果而膨胀并在膨胀中适合于产生大于500kPa的压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种需要使用大于500kPa的压力加固基础土壤或提升非常重的或非常大的结构的方法。
技术背景
在涉及加固用于建筑的基础土壤的领域中(其目的为增加在结构建造以前及以后增加土壤的承受能力)，和在涉及消除地面及铺砌的下沉的领域中，众所周知可使用由于化学作用结果而膨胀的物质，其类型可包括多元醇及MDI异氰酸盐混合物，或者一种相似的可膨胀物质，它们在膨胀后可以固化并且使所述膨胀永久不变。
本申请人的欧洲专利no.851,064披露一种增加基础土壤承受能力的方法，它基本上包括在土壤中形成多个间隔的深孔并且通过这些深孔注射这种类型的可膨胀物质，它由于其成分的化学作用的结果而膨胀，利用膨胀的力量，在大气压力下造成其体积比较初始体积至少增加5倍。该物质的膨胀使邻近土壤压紧直到其达到预期的承受能力。横卧在承受涉及土壤区域上面的土壤层或结构经常地监控以便探测其举升的开始，此时意味着基础土壤已经达到适合于支承上面结构的承受能力，如果没有结构，则在地面和注射区域之间已经压紧。
清楚地，只有当由于相关物质膨胀产生的压力大于受膨胀影响的土壤上施加的压力，结构的静态和动态重量加上注射点以上任何土壤的重量和土壤内部摩擦力影响的土壤上施加的压力时，结构才可能举升。
这些物质膨胀所能产生的最大压力过去估计为最大约500kPa。因此，这一方法从来没有被认为适合于实行非常大或重的建筑物或结构基础的加固或试图举升这些结构，因为它们一般对土壤施加大于500kPa以上压力；发生这样情况是因为一般认为，在所述结构下面所述物质的膨胀不能够改进土壤压紧或者使结构举升。此外，没有企图进一步加固已经相当压实的土壤并且提供大于500kPa的断裂强度。
有时很方便或必须在低重量的结构下面或在无负载的土壤中产生大于500kPa压力的土壤压缩。实际上重要的是应该强调由于土壤的承受能力(如果结构的负荷小于500kPa，该问题已经由同一申请人的上述专利中披露方法所解决)的下沉和加固下沉(可能在细粒土壤中发生即使具有足够的承受能力)之间的区别。实际上，相对较轻的结构虽然建筑在具有超过上面负荷承载能力的土壤上也会经常下沉。这仅仅不过是因为加固过程进行中造成体积的减少，随着时间过去由于水分迁移而下沉。
有时在相似的条件下重要的是从开始就防止这些下沉的起步，以避免对于结构的损害。在这样的情况中正常的做法是直接在设计中提供能够容忍某种程度下沉的基础和结构。不过，对于已经存在的结构，其中没有做到这一点或预期的下沉程度不正确，考虑到即使进行有深度的地质技术研究而正确下沉预报的困难，或者也很重要从开始就防止这些下沉的起步，例如为了防止即使仪器或机器最低水平的震动，必须介入补救或防止这些现象，因为在土壤压缩方面的大幅增加(即使比单独为承受能力需要的压缩高得多)将导致加固的发展并因此防止下沉。
土壤的体积弹性模数实际上与下沉成反比。土壤的高压缩(在500kPa以上)将增加体积模数并相应地减少下沉，即使是对于这种类型的土壤。
最后，一般在表面基础上标准需要安全系数为3。相应地为符合标准任何土壤必须具有至少为上面建筑所引起应力3倍的承受能力。
总之，像上面所描述的需要可膨胀物质的膨胀压力大于500kPa的所有问题没有用上述方法处理，因为认为上述类型的可膨胀物质不能产生高于该值的膨胀力。
令人惊异地，由本申请人实施的在高密度土壤上的介入处理中，所获得的结果对于这样的信念提出疑问并且导致一种想法，即所使用物质产生的压力可以高于原来所假定的。
为此，本申请人施行了多个试验，其目的为确认可以从物质的由于化学反应而膨胀中获得的实际最大压力。
这些实验的结果同样令人惊讶，因为发现在某些情况下上述类型物质所产生的最大压力相当可观地高于假定压力，并在这些结果的基础上认为可以使用所述可膨胀物质的介入处理，而在此以前相信这是不可能的。
发明内容
本发明目的是提供一种方法，它可以使用这些物质的膨胀所产生的力量，用以加固基础土壤和举升(特别是在下沉后的修理中)例如摩天大楼、大型纪念建筑、桥梁、公路结构、导弹发射井、大垻、大型基础建筑等等，这些只有通过克服在土壤中远大于500kPa的压力才能够举升，即对于迄今为止不可想象地用由于化学反应的结果而产生的膨胀的介入处理，或者在任何情况在有些承载即使不十分沉重结构的土壤上获得超加固的效果，因为有时侯这是唯一可以防止下沉并且随着时间过去而保证结构的稳定性的途径。
在此目的范围内，本发明的目标是提供一种方法，它可以在非常大或非常重的结构下沉之后进行预防或处理，而与已知介入处理方法比较仅需要相当低的成本。
这一目的和这一及其它目标将在此后变的更加明显，它们是通过一种用于加固基础土壤或举升非常大或非常重的结构的方法获得，这种方法需要应用大于500kPa的压力，其中，它包括向需要加固的土壤或向需要举升的结构基础以下土壤注射由于化学反应的结果而膨胀的物质，并且在膨胀中适合于产生大于500kPa的压力。
较佳地，按照本发明该方法在于：
--在土壤中产生多个孔，所述孔为互相间隔并处于结构的基础的较低的前沿之下或下侧；
--通过所述的孔向土壤注射一种物质，该物质由于化学反应的结果而膨胀并且包括多元醇及MDI异氰酸盐的混合物，或相似的可膨胀物质，膨胀开始时间基本上在2到25秒之间，并作为膨胀的结果而具有为可膨胀物质在膨胀以前的体积的5倍以上的潜在的体积增加；
--确定何时达到土壤的预定加固程度或结构举升的预定程度；
--当土壤加固达到预定程度时或结构举升达到预定程度时结束所述可膨胀物质的注射。
附图简要说明
本发明特性和优点将从下列较佳但并非唯一的实施例的详细描述和附图变得更加明显，以下将通过非限制性例子予以说明：
图1-3为显示膨胀压力变化作为几个注射因素的函数的曲线图；
图4及5为显示在重型结构下面、在处理过的基础土壤上实施穿透试验结果的图表。
具体的实施方式
按照本发明的方法方便地包括第一步，其中在土壤中产生多个孔，所述孔为互相间隔并处于结构基础的较低前沿以下或下侧。
需要产生的孔的数量、尺寸及互相距离按照需要克服举升结构的力量计算，即，按照结构的重量和在处理中的土壤上的所述重量的分布。
孔可以是垂直方向或者按照要求对于垂直方向倾斜。
通过这些孔，并借助于事先在孔中插入的管子，向土壤中注射由于在其成分中化学反应的结果而膨胀的物质，所述物质包括多元醇及MDI异氰酸盐混合物，或相似可膨胀物质，其膨胀起始时间在2到25秒之间，较佳地为2到7秒，并且其潜在体积增加至少为该物质在膨胀以前体积的5倍。术语“潜在体积增加”涉及物质由于在大气压力下无阻碍地发生膨胀的结果而形成的体积膨胀。
在具有相当宽广基础结构的情况，诸如浮筏基础，其中并不严格地需要指定可膨胀物质的作用区域，有可能使用膨胀起始时间大于7秒的可膨胀物质。
如果不是如此而需要高度精确地指定可膨胀物质的作用区域，较佳地使用具有膨胀起始时间为2到7秒之间的物质。
所述物质由闭孔聚氨酯泡沫塑料组成，该塑料在膨胀后逐渐地硬化并且永久地维持其膨胀状态。
可膨胀物质的成分在混合设备内部用泵混合，该泵连接到插入形成于土壤孔中的管子。
可膨胀物质较佳地由两种化合物构成，各自为由多元醇(包括聚醚型多元醇和/或聚酯型多元醇)和催化剂及水(例如由荷兰Resina Chemie公司生产的URETEK GEOPLUS A)构成的第一成分，和由MDI异氰酸盐异氰酸盐(例如由荷兰同一公司生产的URETEK GEOPLUS B)构成的第二成分，该物质具有膨胀起始时间大约为3秒并且特别能够产生最大的测量得到的膨胀力，如在以下将更详细地描述。
这两种成分的混合产生膨胀的聚胺酯泡沫塑料，其密度在膨胀终结时按照反对膨胀的阻力而变化，即在正在考虑的情况中，邻近注射区域的土壤反抗膨胀的阻力。
物质传递到邻近土壤的压力也与密度成比例并且因此即对物质注射土壤反对的阻力成比例。
在内部测量状态下，采用定量的URETEK GEOPLUS A+B混合物、催化剂及水，垂直膨胀试验给出的结果在下列表格中列出：
| 试样 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| P(g) | 138.8 | 316.1 | 138.3 | 171.5 | 490.6 | 313.2 | 358.4 | 363.2 | 190.4 | 471.8 | 396..6 | 431.9 | 551 | 401 | 548.3 |
| D(cm) | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
| H(cm) | 11.65 | 11.88 | 6.51 | 6.01 | 10.14 | 10.6 | 10.6 | 10.6 | 10.6 | 10.6 | 10.6 | 10.6 | 10.6 | 10.6 | 10.6 |
| V(cm3) | 585.59 | 597.15 | 327.23 | 302.10 | 509.69 | 532.5 | 532.5 | 532.5 | 532.5 | 532.5 | 532.5 | 532.5 | 532.5 | 532.5 | 532.5 |
| γ(kN/m3) | 2.33 | 5.19 | 4.15 | 5.57 | 9.44 | 5.77 | 6.60 | 6.69 | 3.51 | 8.69 | 7.31 | 7.96 | 10.15 | 7.39 | 10.1 |
| t(秒) | 膨胀压力σ(kPa) | ||||||||||||||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 10 | 196 | 1275 | 883 | 1275 | 1962 | 1668 | 2453 | 2551 | 834 | 4120 | 2747 | 3630 | 6475 | 3139 | 5886 |
| 20 | 294 | 1373 | 1030 | 1422 | 3728 | 1913 | 2698 | 2747 | 883 | 4513 | 3139 | 4022 | 7848 | 3434 | 7358 |
| 30 | 343 | 1521 | 1079 | 1472 | 4415 | 2011 | 2645 | 2894 | 981 | 4807 | 3237 | 4316 | 8339 | 3630 | 8044 |
| 60 | 5690 | 2158 | 3041 | 3139 | 981 | 5199 | 3630 | 4611 | 9418 | 3924 | 9123 | ||||
| 90 | 412 | 1687 | 1158 | 1619 | 6180 | 2305 | 3139 | 3286 | 5396 | 3826 | 4905 | 9908 | 4120 | 9516 | |
| 120 | 412 | 1766 | 1177 | 1697 | 6377 | 2305 | 3139 | 3286 | 5494 | 3875 | 4905 | 10055 | 4120 | 9810 | |
| 150 | 1766 | 1177 | 1697 | 6377 | 5592 | 3875 | 10202 | 9810 | |||||||
| 180 | 5592 | 10202 | |||||||||||||
| σmax(kPa) | 412 | 1766 | 1177 | 1697 | 6377 | 2305 | 3139 | 3286 | 981 | 5592 | 3875 | 4905 | 10202 | 4120 | 9810 |
其中，缩写符号为P(重量)，D(直径)，H(高度)，V(体积)，σ(膨胀压力)，t(试验时间)，并代表试样的特征。
这些试验用Padova大学专业实验室的可供仪表设备进行，根据基本上在受控制环境中建立相似于其膨胀物质在重负荷基础中注射/膨胀下承受的压力条件，并随后测量所获得各试样的膨胀压力。
附图1-3分别绘制由所述物质的膨胀产生的压力作为在膨胀终结时物质密度的函数，如以上所述该压力对于执行注射的土壤的密度，对于膨胀时间和体积重量成比例。
可以看到，由所述物质膨胀所产生的实际压力可以达到并超过10,000kPa。
由膨胀产生的压力也作为物质的温度的函数而变化。所阐明的图表绘制压力在两种不同温度下，即80℃和238.6℃，的曲线。
膨胀起始时间可以通过按照需要变化物质的两种成分之间的比例而改变。更具体地说，较佳的是对于土壤的注射用较短的时间，这样可以促使物质扩散，而为更均匀和紧密的土壤则需要用更长的时间(在任何情况较佳地在2到7秒之间)。对于非常广大的基础7秒以上的时间是合适或有用的。
按照需要，物质可以在单独的一步中注射在形成在土壤中的孔，注射点逐渐升起并因此向上收回插入在形成于土壤中孔的管子，或者可以在多个步骤中注射，促使注射点间断地升起，即在多个中间停顿中收回插入在形成于土壤中孔的管子。
如果必须同时利用在广大表面上可膨胀物质所产生的压力，例如为提升非常大和重的结构，或使结构同时地均匀升起以避免损坏，可膨胀物质可以同时地注射进入多个孔中，可选地可以利用多个泵。
在注射中可膨胀物质流动性极佳，因此非常容易穿透土壤的密度较低区域。物质随后的膨胀然后更强烈地压紧土壤密度较低的区域，进一步改进土壤密度的均匀性。
注射物质膨胀的迅速性在任何情况均可避免物质不需要的扩散，精确地限制受膨胀影响的区域并因此在土壤的压紧和举升结构方面获得绝佳的有效性。在膨胀中物质在土壤上产生的推力效应是由于其成分的化学反应引起的，而不是由于液压。虽然可膨胀物质利用液压注射入土壤，所述压力实际上只用来把物质引入预期的目标点。
关于在土壤中形成孔的深度，可以按照希望进行操作结构下面土壤压紧的方法而变化。
在任何情况下术语“基础土壤”用来表示压力包所覆盖的区域、即整个在基础以下的土壤部分，它几乎分散所有由静力和动力负荷所引起的张力和应力，并且对于各特定情况进行计算；它一般对应于在底平面下所述基础宽度的约2-3倍的深度。
为举起结构，并也为压紧基础土壤以便补救或防止下面土壤的下沉，有可能根据土壤的情况遵循两种方法。
第一种方法在于处理压力包的整个厚度和任何可压缩或低负荷层以下的厚度以便实施加固，到具有足够承受力土层的坚实的地层，不论其深度如何。坚实的地层可以用地质技术土壤分析识别。
第二种方法在于处理一层土壤(至少等于压力包)，由于技术上和/或财务方便的原因，并不达到识别的坚实地层(它可能处于过分的深度)，但在任何情况下具有足够在较宽广的表面上分散上面重量的厚度。
如果介入处理的目标对准举升位于注射区域上面的结构，在注射可膨胀物质时，在已经处理土壤面积上面结构的平面经常地由激光水准仪或其它系统监控以便高精度地探测结构举升的开始。
结构举升的开始意味着在该点上所执行的压紧已经足够支持该结构并且物质的进一步膨胀将升起该结构。
如果介入处理目的是加固基础土壤而不是举升结构，例如因为其刚度及重量不容许其提升，或者简单地由于不是所寻求的效果，要求加固程度是否达到可以通过测量注射可膨胀物质的量来确定，作为监控举升结构开始的替代方案。实际上可能通过适当的计算在事先确定应该注射可膨胀物质的量以便获得预期的加固。如果希望在执行个别的注射时确定必须的加固程度(一种容易执行的过程并且另外还可获得最大的加固)，可以根据对土壤充分的地质技术研究数据，对需要得到加固程度，对施加的压力及通过施加所述压力而随后获得的可膨胀物质的密度，和最后对要求达到预期结果的可膨胀物质的体积等，通过数学计算建立起需要注射可膨胀物质的量。该过程毫无疑问更加费工而昂贵但是在所考虑的大规模介入处理的情况中是完全值得的。
在几乎没有负荷的土壤中并且在需要为防止下沉而要提前加固的情况，可以最初如以前所述步骤进行，然后实行进一步的注射，布置在先前注射之间的间隔中，注射在已经(部分地)硬化的土壤中，如此继续重复这一过程，直到获得通过适当地质技术计算而预定的需要数值。
如此逐渐地获得密度更大的土壤进一步提供对于可膨胀物质膨胀的阻力，而该物质由于逐渐地更加强烈地被约束自动地产生更大的膨胀力。
通过一次仅施行一次注射，即使对于较轻的结构，已经由于最初的注射产生的举升而被负荷完全受力，并且在该点上已处于更受力的状态，提供远大于在注射点上的单位负荷的对比压力，它加到土壤(密度已经变得更大可以实施所述土壤的更高压缩)的反作用对比压力上。也可以对土壤或结构增加重量以便获得更高的压力。
当结构达到预期举升程度时，或者当土壤的预期压紧程度达到时，物质的注射被中断而物质随后的固化稳定地维持所获得的结果。
如上所述，在膨胀中物质产生的压力可以达到和超过10,000kPa。这意味着在基础下面注射所述物质，可选地以在同时许多点上注射，能够举起诸如摩天大楼、塔、大型纪念建筑、大垻、桥梁、公路结构、导弹发射井、大型基础建筑等等，或者加固基础土壤即使需要极端地高的压力，并且有可能使用上述技术介入处理至今不可想象之事。同样，有可能几乎未受负荷的土壤达到预先加固由结构产生负荷的状态，防止或停止加固下沉，而迄今为止认为是不可用由于化学反应的结果而膨胀的物质进行处理的。
穿透试验曾经在基础土壤上进行(如图4和5所示)，用按照本发明的方法处理，在位于巴黎非常重的建筑下用超过500kPa的压力进行(产生负荷的土壤压力)。
在基础下1、2和4、5米处实施注射，而所处理的面积具有线性长度约为9米。
穿透试验显示动态阻力改进达到初始值的10倍并且更多，完全适合于对结构提供举升和使基础可靠地加固。
实际上已经发现按照本发明的方法可以完全达到预定目的和目标，因为通过利用上述类型可膨胀物质迄今未知的性质，可以实行对于基础土壤的加固介入处理，并且可选地同时对非常大或重的结构进行举升，特别可防止或补救下沉，并且也容许在几乎未加负荷的细粒土壤中极大地增加加固程度。
如此构想的方法可以进行无数的改型和变化，它们全部处于发明概念的范围以内；所有细节将进一步用其他技术相当的元素更换。
Claims (16)
1.一种需要施加大于500kPa压力加固基础土壤或举升非常大或重的结构的方法，其特征为，它包括向需要加固的土壤或向需要举升的结构的基础下面的土壤注射物质，该物质由于化学反应的结果而膨胀并且在膨胀中适合产生大于500kPa的压力。
2.一种需要施加大于500kPa压力加固基础土壤或举升非常大或重的结构的方法，其特征为，它包括
--在土壤中产生多个孔，所述孔为互相间隔并处于结构基础的较低的前沿之下或下侧；
--通过所述的孔向土壤注射一种物质，该物质由于化学反应的结果而膨胀并且包括多元醇及MDI异氰酸盐的混合物，或相似的可膨胀物质，膨胀开始时间基本上在2到25秒之间，并作为膨胀结果而具有为可膨胀物质在膨胀以前的体积的5倍以上的潜在的体积增加；
--确定何时达到土壤的预定加固程度或结构举升的预定程度；
--当土壤加固达到预定程度时或结构举升达到预定程度时结束所述可膨胀物质的注射。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为，通过经常地监控在注射区域以上的结构的水平确定结构的预期举升程度与/或土壤的预期加固程度。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为，通过测量注射的可膨胀物质的量确定土壤的预期加固程度。
5.按照前面各权利要求中一个或多个所述的方法，其特征为，所述可膨胀物质的膨胀起始时间基本上在2到7秒之间。
6.按照前面各权利要求中一个或多个所述的方法，其特征为，所述可膨胀物质在膨胀中在周围土壤中产生的压力与由土壤反抗的张力成比例，并且高于500kPa和可以超过10,000kPa。
7.按照前面各权利要求中一个或多个所述的方法，其特征为，所述可膨胀物质包括两种成分，第一成分由聚醚型多元醇和/或聚酯型多元醇、由催化剂及由水构成，而第二成分由MDI异氰酸盐构成。
8.按照前面各权利要求中一个或多个所述的方法，其特征为，所述的孔为垂直地形成。
9.按照前面各权利要求中一个或多个所述的方法，其特征为，所述的孔对于垂直方向成角度地形成。
10.按照前面各权利要求中一个或多个所述的方法，其特征为，在所述孔中的所述可膨胀物质的注射同时在多个孔中进行。
11.按照前面各权利要求中一个或多个所述的方法，其特征为，在所述孔中的所述可膨胀物质的注射连续地进行，使注射点逐渐地沿相应的孔上升。
12.按照前面各权利要求中一个或多个所述的方法，其特征为，在所述孔中的所述可膨胀物质的注射在多个步骤中执行，使注射点间歇地沿相应的孔上升。
13.按照前面各权利要求中一个或多个所述的方法，其特征为，包括注射所述可膨胀物质进入孔中的附加步骤，该所述孔布置在已经用于以前注射步骤的孔之间。
14.一种由于化学反应结果而膨胀的物质的用途，该物质包括多元醇和MDI异氰酸盐的混合物或相似的可膨胀物质，其膨胀起始时间基本上在2到25秒之间，并且作为膨胀结果而具有为膨胀以前该物质体积的5倍以上的潜在的体积增加，以便需要施加大于500kPa的压力加固基础土壤或举升非常大和重的结构。
15.按照权利要求14所述的用途，其特征为，所述可膨胀物质包括两种成分的混合物：第一成分由聚醚型多元醇和/或聚酯型多元醇、由催化剂及由水构成，而第二成分由MDI异氰酸盐构成。
16.按照权利要求14所述的用途，其特征为，所述可膨胀物质具有膨胀起始时间基本上在2到7秒之间。
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