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Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften
wenig durchlässiger Böden Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung
der Festigkeitseigenschaften wenig durchlässiger Böden durch Injektion erhärtender
Stoffe in insbesondere wässriger Lösung oder Dispersion. Die Erfindung betrifft
ferner eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Bei der häufig angewandten Verbesserung von Böden durch jektion geht
man davon aus, daß der zu injizierende Stoff in einem bestimmten Verhältnis zur
Hohlräumgröße und Durchlässigkeit des zu behandelnden Bodens steht. Eine Grundregel
ist dabei, daß man so grobe Stoffe verpreßt wie sie von den Hohlraume Oder Poren
des Bodens gerade noch aufgenommen werden.
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Nach dem heutigen Stand der Technik verpreßt-man daher in Gerölle
Mörtel in Kies Zement er Ton oder beides in Sande kolloid-gelöste Stoffe oder reine
Flüssigkeiten in Feinsande reine Flüssigkeiten (z.B. Kunstharze) In jedem Falle
handelt es sich um Stoffe die nach gewisser 1 regelbarer Zeit erhärten und dadurch
eine mehr oder minder große Verfe.stigungswirkung hervorrufen und durch Druckwasser
nicht mehr ausgespült werden Gleichzeitig erfolgt durch die Füllung der Hohlräume
und Poren eine Abdichtung.
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Die zur Injektion angewandten Mittel sind sehr verschieden,
sie
werden auch nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgewählt Feinsande, insbesondere
solche mit Schluffanteilen bis zu 30%, haben geringe Durchlässigkeiten von etwa
10 bis 10-5 5 cm/s und lassen sich nur mit Flüssigkeiten verpressen, die eine dem
Wasser ahnliche Zähigkeit von 1,2 m-ax. 5 Centipoise besitzen. Man verwendet hierzu
in aller Regel dünnflüssige Kunstharze.
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Böden mit noch feinerem Kornaufbau, z.B. sandige Schluffe, reine Schluffe,
Löß, Lehm oder Ton lassen sich durch Ausfüllen der Poren mit erhärtenden Stoffen
wirtschaftlich nicht mehr verbessern. Zwar gibt es Beispiele, in denen man mit Hilfe
elektrischen Gleichstroms verfestigende Mittel eingebracht hat (Elektrophorese),
aber wegen des hohen Koston---- und Zeitaufwandes und der unterschiedlichen Verhaltensweise
der Böden ist diese Ausführungsweise nicht verbreitet.
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Auch hat man eine Verfestigung, speziell bei bindigen Böden, dadurch
herbeigeführt, daß man im Boden hohe Temperaturen er.-zeugte, wodurch bindige Böden
einen Strukturwandel erfahren und häufig fester werden Dieses Verfahren ist in verschiedenen
Varianten als "Thermische Bodenverfestigung" bekannt, ist aber ebenfalls wegen verschiedener
notwendiger Bodeneigenschaften als Voraussetzung und aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten
nicht zu breiter er Anwendung gekommen. (Vgl. eine schrift "Bergbauwissenschaft"
12 (1965), Nr. 19/20 "Möglichkeiten und Grenzen der Anw-endung elektrochemischer
und thermischer Verfestigungsverfahren") Die beschriebenen Schluffe und bindigen
Böden stellen den Bauingehieur häufig vor schwierige Probleme, weil sie insbesondere
bei hohem Wassergehält und auf genei.g-t'en Flächen unzureichende Eigenschaften
besitzen, um Bauwerkslasten aufzunehmen oder an künstlich hergestellten oder natürlichen
Böschungen
von Straßeneinschnitten, Bahndämmen etc. selbständig
zu stehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Injektionsverfahren
aucll für solche Böden, bei denen es bisher versagte, anwendbar zu machen.
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Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel bei dem eingangs beschriebenen
Verfahren dadurch erreicht, daß im Boden zunächst mittels hohem Druck des Injektionsmittels,
gegebenenfalls unterstützt durch mechanisches Anreißen, künstliche Klüfte geschaffen
und diese nachfolgend bei geringerem Druck mit den erhärtenden Stoffen ausgefüllt
werden.
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Ein erster Weg wurde schon 1936 bei der Beseitigung von Rutschungen.an
Einschnitten des Mittellandkanals beschrieben.
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(Vgl. Zeitschrift "Die Bautechnik" 1936, eft 51) Der Erfolg wurde
dadurch erzielt, daß man die natürlichen Kiüfte in Tonböden durch Injektionsrohre
anschnitt und mit Zementsuspension füllte, wobei auch sehr enge Kliifte von Millimeterstärke
erfaßt wurden. Hierbei wurde der "Reibungsschluß" in den Klüften durch den Zement
wiederhergestellt. Voraussetzung hierfür war, daß Kliifte bereits vorhanden waren.
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Solche Kliifte sind aber im bindigen Boden bei oder vor Beginn einer
Rutschung nicht vorhanden; bei reinen, wassergefüllten Schluffen können sie sich
überhaupt nicht ausbilden, so daß eine Behandlung nach dem bekannten Verfahren nicht
möglich ist.
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Es hat sich aber gezeigt, daß man solche Klüfte nach dem Verfahren
der Erfindung künstlich erzeugen kann, indem man durch zweckmäßig verteilte Injektionsrohre
Suspensionen einpreßt und kurzfristig hohen Druck aufbringt. Den Verlauf der Klüfte
kann man durch sinnvolle Anordnung der Injektionsrohre und Einhaltung bestimmter
Reihenfolgen beim Verpressen sowohl der Rohre als auch der behandelten Tiefenstufe
lenken. Auf diese
Weise ist es möglich, ein künstliches Kluftsystem
zu schaffen, das z.B. die tiefe Gleitfuge eines rutschgefährdeten Hanges senkrecht
oder in anderer sinnvoller Richtung schneidet. Ist eine solche künstliche, vertikale
oder horizontale Kluft durch "Aufbrechen" erst hergestellt, kann man sie bei geringem
Durck mit erhärtenden Stoffen erweitern und füllen. Die.Stärke und Länge der Kluft
wird also durch die eingepreßte Stoffmenge bestimmt, so daß man ?lkünstliche Wände"
schafft, die eine wesentlich höhere Scherfestigkeit besitzen als der Boden.
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Der zum "Aufbrechen" solcher Klüfte erforderliche hohe Druck bewegt
sich gewöhnlich in der Größenordnung von etwa 20 - 100 atü. In der nachfolgenden
"Füllphase", in der die aufgebrochenen Klüfte bei geringerem Druck mit dem Injektionsmittel
ausgefüllt werden, benötigt man einen Druck von etwa 1 - 10 atü.
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Sowohl der hohe wie der niedere Druck richten sich nach der Bodenbeschaffenheit
und der Tiefe, in der die Injektion erfolgt.
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Durch die erfindungsgemäße Einpressung erfolgt gleichzeitig eine Kompression
der umgebenden Bodenpartien, wodurch diese ebenfalls günstigere Eigenschaften erhalten
als sie in ihrem urspriinglichen Zustand hatten. So wurde z.D. festgestellt, daß
ein Lößlehm 50 cm von der hergestellten Injektionswand entfernt noch immer deutlich
höhere Spitzenwiderstände hatte als der ursprüngliche Boden. Dabei ist der Grad
der Bodenverbesserung vom Anfangsdrllck der Einpressung und der eingebrachten Menge
abhängig.
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Erfindungsgemäß ordnet man meist mehrere, insbesondere paral.-lele
Reihen solcher "Wände" an. Denn nnch dem Beispiel würde man mit einer Reihe z.B.
eine Wand aus erhärtenden Stoffen von 1 in Stärke injizieren, dabei würden rechts
und links der Wand z.B. je 1 Bodenstreifen von 50 cm komprimiert und verbessert.
Wählt man hingegen stattdessen drei Reihen ("Wände") von je ca. 30 cm Stärke, so
erhält man im Endeffekt zwar die gleiche injizierte Wnndstärke, aber die dreifache
Stärke komprimierten
Bodens mit erhöhten Festigkeitseigenschaften.
Die Wände können je nach Anordnung der Injektionsrohre gerade aber auch gekrümmt
oder in Zickzackform hergestellt werden, die Reihen sollen mehr als 1,5 m voneinander
entfernt liegen und sind in verschiedeuen Neigungen der Aufgabe entsprechend herzustellen.
Die Dicke der nach den1 Verfahren der Erfindung herstellbaren "Wände" im Erdreich
kann etwa 5 - 100 cm betragen.
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In gleicher Weise kann man Setzungen vermeiden1 wenn z.B.
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durch langandauernde Grundwasserabsenkung eine Schrumpfung des Bodens
zu erwarten ist. Die Einpressung erhärtender Stoffe nimmt dann vorab den Raum ein,
der durch die Schrumpfung erwartet würde. Hebungen von Gebäuden können hiermit erfolgreich
vorgenommen werden, indem' man zunächst rings um das zu hebende Gebäude eine "Einfassungswand"
injiziert; innerhalb dieser Einfassungswand wird dann durch Injektion weiterer Querwände
der Boden komprimiert und tragfähiger gemacht. Auf dieser Basis kann dann die Hebung
des Gebäudes ebenfalls durch Injektion erfolgen.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform einer Injektionslanze, die
zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung dienen kann, wiedergegeben, und zwar
zeig-t Fig. 1 eine Seitenansicht und Fig. 2 einen Querschnitt in höhe der Klappen
(3) von Fig. 1.
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Es sind bereits Injektionslanzen bekannt, die im wesentlichen die
Gestalt eines Hohlzylinders besitzen, der am unteren Ende mit einer verlorenen Rammspitze
verschlossen ist und am oberen Ende mit einem Bohr- oder Rammgestänge sowie mit
einer Pumpeinrichtung für das Injektionsmittel verbunden ist.
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Die abgebildete Injektionslanze (1) wird über ein Gewindeteil
(2)
mit einem üblichen Ramm- oder Bohrgestänge verbunden. Am anderen (unteren) Ende
ist die zylindrische, mit einer Bohrung (1g) versehene Lanze (1) mit einer verlorenen
Rammspitze (5) versehen, die mit einem Führungsstück (6) lose in einer Erweiterung
der Bohrung (4) sitzt. Mit hilfe der Bolzen (7) sind etwa im unteren Drittel der
Rammspitze (1) zwei Klappen (3) angelenkt, de sich zwischen einer im wesentlichen
achsparallelen Stellung (ausgezogen) und einer dazu annähernd rechtwinkligen Stellung
(strichpunktiert) verschwenken lassen. Mit hilfe des (nicht gezeigten) Rammgestänges
wird die Lanze l bis in die notwendige Tiefe ins Erdreich eingetrieben. Die Klappen
-(3) legen sich dabei selbsttätig in die achsparallele Stelliulg um. Die Anordnung
ist aber so getroffen, daß die Spitzen (3a) der Klappen iiber dem Durchmesser der
Lanze 1 vorstehen.
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Wenn die Lanze 1 die vorgesehene Tiefe erreicht hat, wird sie wieder
zu Tage gezogen. Gleichzeitig wird die verlorene Spitze (5,6) entfernt und durch
die Bohrung (4) Injektionsmittel eingepreßt. Bei der Aufwärtsbewegung der Lanze
(1) werden die Klappen (3) an den hervorstehenden Spitzen (3a) erfaßt und in die
waagerechte Stellung ausgeschwenkt. Die (nach oben hin zweckmäßig abgeschrägten)
Klappen 3 hinterlassen im Erdreich je eineii Schlitz, dessen Dicke und Länge man
durch die Abmaße der Klappen 3 den Erfordernissen anpassen kann. In diesen Schlitzen
kann das Injektionsmittel nach dem Verfahren der Erfindung angreifen und ihn erweitern.
Die Ebene dieser Schlitze läßt sich durch entsprechendes Drehen des Raumgestänges
bzw. Injektionsrohres je nach der Bodenbeschaffenheit wählen.
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Zur Erzeugung einer "Wand" im Erdreich durch vielfaches Eintreiben
von Injektionslanzen (1) ist es vorteilhaft, die Klappen (3) durch entsprechendes
Drehen der Lanze (1) bzw. des Rammgestänges in die Ebene dieser Wand einzustellen.
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Es ist auch möglich, die Lanze (1) mit mehr als einem Klappenpaar
(3) zu versehen, die unterschiedliche Länge besitzen
und in axialer
llichtung versetzt sein können, so daß rund um die Injektionsstelle sternförmige
vertilcale Klüfte erzeugt werden. Ferner kann- das Verscliwenken des Klappenpaars
auch in anderer Weise vorgenommen werden, z.B. durch Seilziige oder hydraulische
Betätigung. Diese Möglichkeit kommt vor allem für den Fall in Betracht, daß waagerecht
oder annähernd rechtwinklig zur Lanzenachse verlaufende Kliifte erzeugt werden sollen,
indem man die Injektionslanze an einem Bohrgestänge befestigt, in das Erdreich eintreibt,
dort ein Paar von Klappen oder Schneiden ausfährt und dann das Bohrgestänge rotieren
läßt, wobei Injektionsmittel eingepreßt wird.