DE2735843C2

DE2735843C2 - Verfahren zum Herabsetzen der Frosthebung des Bodens

Info

Publication number: DE2735843C2
Application number: DE2735843A
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Uji Kyoto Takashi
Original assignee: Seiken Reiki Kk Osaka Jp
Current assignee: Seiken Reiki Kk Osaka Jp
Priority date: 1976-12-13
Filing date: 1977-08-09
Publication date: 1982-11-18
Also published as: FR2373647A1; US4154553A; NL173420C; FR2373647B1; JPS6039814B2; GB1580077A; JPS5373817A; DE2735843A1; CA1082439A; NL7708320A; NL173420B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herabsetzen der durch das künstliche Gefrieren des Bodens verursachten Frosthebungen des Bodens.

Zum Sperren von Grundwasserzuflüssen und zum Verfestigen von weichem Boden kann man den Bilden durch das kEijtliche Gefrieren des Grundwassers verfestigen. Dss Gefrieren führt jedoch zu zwei unerwünschten Erscheinungen, und zwar zur Hebung und Senkung des Bodens. Wenn weicher Boden mehr als zwei Frostwechseln unterworfen wird, treten bei jedem folgenden Frostv/echscl stark unterschiedliche Hebungen und Senkungen des Bodens auf, selbst wenn die Geschwindigkeit der Frostgrenze und die wirksame Spannung des Bodens jeweils gleich sind. Daraus geht hervor, daß bei wiederholten Frostwechseln die Wirkung des Frosts in dem weichen Boden nicht reproduzierbar ^;-t, und daß beim ersten Frostwechsel das Auftauen zu einer sehr starken Senkung führt Diese Hebungen und Senkungen des Boaens beim Frostwechsel sind vor allem auf die Feinkörnigkeit und den hohen Wassergehalt eines derartigen wt-chen Bodens und seine niedrige Druckvorspannung zurückzuführen. Bei der Betrachtung der Korngrößenverteilungs-Summenkurve eines derartigen weichen Bodens stellt man fest, daß der Boden selten mehr als 10% Sand- und Kiesbestandteile mit einem Korndurchmesser über 70 μ aufweist und daß die Schluff· und Tonbestandteile gewöhnlich mehr als 90% ausmachen. Derart feinkörnige Böden haben infolge ihrer Kapillarität ein großes Absorptionsvermögen für Wasser und daher auch ein großes Wasserhaltevermögen, so daß der Wassergehalt des Bodens hoch bleibt, wenn er nicht einer Beanspruchung durch mehr als sein Eigengewicht unterworfen wird oder seit seiner Entstehung Gelegenheit zum Trocknen gehabt hat. Man kann daher einen derartigen weichen Boden sofort verfestigen und verdichten, wc
er mit mehr als seiner Druckvorspannung, di gewöhnlich 1 bar beträgt, belastet wird. Wenn während des Gefrierens des Bodens Wasser am Gefrierpunkt absorbiert wird, sinkt der Wasserdruck in den Poren des Bodens vor der Frostgrenze, so daß die wirksame Spannung zunimmt und dadurch der Boden in diesem Bereich weiter verfestigt wird und schrumpft. Dadurch wird das Heben und Senken des Bodens beim Frostwechsel beschleunigt. Damit sich der Boden beim künstlichen Gefrieren möglichst wenig hebt und senkt, muß vor allem die Frosthebung unterdrückt v/erden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde/ die Frosthebung des Bodens beim künstlichen Gefrieren des Bodens zu vermindern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß vor dem Gefreiren des Bodens eine flüssige Chemikalie injiziert wird, die geeignet ist, die Viskosität des Porenwassers zu erhöhen,

Eine geeignete Chemikalie ist Carboxymethylcellulose (CMC).

Nachstehend wird der Erfindungsgegenstand an Hand eines Beispiels seiner Anwendung auf das künstliche Gefrieren des Bodens genauer erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 schematisch im Querschnitt einen Boden während aes künstlichen Gefrierens,

Fig.2 eine schematische Darstellung des Verlaufs des Porenwasserdrucks in nichtgefrorenem Boden und in dem entwässerten Verfestigungsbereich während des künstlichen Gefrierens des Bodens und

F i g. 3 bis 6 schematische Darstellungen von Bodenproben im Verlauf eines Laborversuchs.

F i g. 1 stellt im Querschnitt schematisch den Boden im Bereich der Frostgrenze 1 dar, die sich in einem homogenen, gesättigten Boden mit gleichbleibender Geschwindigkeit von links nach rechts bewegt In der Zeichnung sind folgende Teilbereiche bezeichnet:

Frosthebungsbereich

Dieser Bereich 2 erstreckt sich über eine bestimmte Strecke auf der Rückseite der Frostgrenze 1, an der das freie Porenwasser gefriert, d.h. in dem gefrorenen Boden 3. In diesem Bereich hebt sich der Boden, wenn er Wasser absorbiert

Porenwasser ist m dem nichtgefrorenen Boden 4 und in dem gefrorenen Boden 3 im bis zu der linken Grenze des Frosthebungsbereichs 2 vorhanden, an der die Absorption von Wasser aufhört Der Frosthebungsbereich 2 enthält daher sowohl freies, gefrorenes Wasser als auch gebundenes, nichtgefrorenes Wasser. Infolge der Kommunikation, die durch das Porenwasser in dem Frosthebungsbereich 2 bewirkt wird, erfolgt ein Ansaugen von Porenwasser aus dem nichtgefrorenen Bereich 4 in den Frosthebungsbereich 2, in dem das angesaugte Porenwasser gefriert und zur Hebung des Bodens beiträgt

Nachausdehnungsbereich

Diesem Bereich 5 links von dem Frosthebungsbereich 2 wird kein Porenwasser mehr zugeführt und in ihm kann nur eine kleine Ausdehnung des Bodens stattfinden, die auf das Gefrieren von Bodenteilchen umgebendem, nichtgefrorenem Wasser zurückzuführen ist.

Schrumpfungsbereich

In diesem Bereich 6 links von dem Nachausdehnungsbereich 5 schrumpft der gefrorene Boden geringfügig, weil die auf das Kälterwerden der Bodenteilchen und des Eises zurückzuführende Schrumpfung größer ist als die durch das Gefrieren des nichtgefrorenen Wassers bedingte Ausdehnung.

Entwässerter Verfestigungsbereich

Aus diesem direkt beeinflußten Bereich 7 rechts von der Frostgrenze 1 wird Porenwasser in den Frosthebungsbereich 2 gesaugt, so daß der Porenwasserdruck sinkt und die wirksame Spannung zunimmt Das Sinken des Porenwasserdrucks führt daher zu einer Verfestl· gung des Bodens. Man erkennt, daß ίη diesem Bereich gleichzeitig eine Schrumpfung und eine Erhöhung der wirksamen Spannung stattfindet, so daß hier die Frosthebung vermindert wird.

Indirekt beeinflußter Bereich
Dieser Bereich 8 rechts Von dem entwässerten

Verfestigungsbereich 7 wird von dem Frosthebungsbereich 2 nur indirekt beeinflußt

Man kann daher sagen, daß links von der Frostgrenze 1 eine Frosthebung und rechts von der Frostgrenze 1 eine Schrumpfung stattfindet Der entwässerte Verfestigungsbereich 7 ist nicht sehr breit, weil der weiche Boden eine so geringe Wasserdurchlässigkeit hat daß er kein Wasser über eine grotie Entfernung ansaugen kann (F i g. 2). Man erkennt, daß die Breite δ des entwässerten Verfestigungsbereichs 7 dem Abstand zwischen der Frostgrenze 1 und dem Punkt N entspricht an dem die Tangente an die Porenwasserdruckkurve 9 an deren Schnittpunkt mit der Frostgrenze 1 und die Tangente an einen unendlich weit emiernten Punkt der Porenwasserdruckkurve 9 einander schneiden. In der Fig.2 ist somit die Beziehung zwischen dem Porenwasserdruck und dem entwässerten Verfestigungsbereich 7 dargestellt Dabei ist auf der Abszisse der Abstand ρ von der Frostgrenze 1 in der Richtung des Fortschritts derselben und auf der Ordinate der Porenwasserdruck P aufgetragen.

In den F i g. 1 bzw. 2 ist ferner durch die Kr--ve 10 der Verlauf des Eis- bzw. Wassergehalts in dem gefrorenen Boden 3, durch die Kurve 11 der Verlauf des Wassergehalts in dem nichtgefrorenen Boden 4, durch den Pfeil 11 in Richtung des Fortschritts der Frostgrenze I₁ durch den Pfeil 12 die Wanderung des Wassers an der Frostgrenze und durch den Pfeil 13 die Wanderung des Wassers im nichtgefrorenen Boden 3 dargestellt

Es wurde schon gesagt daß eine Frosthebung stattfindet, wenn Wasser auf der Rückseite der Frostgrenze 1, d. h, im Bereich, in dem freies Porenwasser im Boden gefroren ist, über eine gewisse Strecke angesaugt wird. Daher kann man die Frosthebung herabsetzen, indem man die Wassermenge vermindert, die aus dem Bereich des nichtgefrorenen Bodens 4 in den Frosthebungsbereich 2 gesaugt wird. Zu diesem Zweck kann man die Wanderungsgeschwindigkeit des Por .nwassers herabsetzen. Diese Wanderungsgeschwindigkeit V wird nach dem Darcyschen Gesetz wie folgt berechnet:

y _

Darin ist

_ Va

dp

45

k₀ der Durchlässiakeitskoeffizient für Porenwasser

η_α die Viskosität des Porenwassers

η die eingestellte Viskosität des Porenwassers

y„ das spezifische Gewicht des Wassers

P der Porenwasserdruck

ρ der Abstand von der Frostgrenze

Da

άΡ

= 0

60

65 schwindigkeit V des Porenwassers verringern, indem man seinen Viskositätskoeffizienten erhöht

Die Erfindung stellt eine Anwendung dieses Prinzips dar. In einer Ausführungsform der Erfindung wird durch Injizieren einer kleinen Menge Carboxymethylcellulose (CMC) in weichen Böden die Viskosität des Porenwassers erhöht Bei dem darauffolgenden Gefrieren des Bodens zeigte es sich, daß die Frosthebung nur etwa Ve der üblichen Arbeitsweise auftretenden Frosthebung betrug.

In dem nichtgefrorenen Bereich 4 wandert das Porenwasser in der Richtung des Pfeils 13 mit der Geschwindigkeit

k dP

y» dp

An der Frostgrenze 1 wandert das Porenwasser mit der Geschwindigkeit

k df

y* dp

P-O

und hai der Porenwasserdruck den Wert
P\ = 0.

mit Hilfe der Porenwas!X,rdruckkurve bestimmt werden kann und JSr₀ konstant ist, kann man die Wanderungsge-CMC ist nicht die einzige Substanz, die im Rahmen der Erfindung zum Erhöhen der Viskosität des Porenwassers verwendet werden kann, doch ist seine Verwendung zweckmäßig, weil es ungefährlich ist (es wird selbst in Lebensmitteln verwendet) und daher keine Umweltgefährdung bedeutet Das erfindungsgemäße Verfahren kann leicht durchgeführt werden, weil man das CMC oder eine andere geeignete Chemikalie während des Einbaus des Gefrierrchrs injizieren kann.

' 'm das Verständnis der erfindungsgemäß erzielten Wirkung zu erleichtern, wird nachstehend ein experimentelles Anwendungsbeispiel der Erfindung beschrieben:

In diesem Versuch wurde eine Probe einss sehr frostanfälligen Bodens verwendet, der aus dem Manaitabahiton aus Kudenshita, Tokio, stammte. Sand und Bodenprobengut wurden in jeden von drei Acrylharzzylindern A, B und C gegeben, von denen jeder einen Innendurchmesser von 32 mm und eine Länge von 370 mm besaß und am Boden mit einem Deckel 14 aus Gunmetal verschlossen war. In jedem Zylinder hatte die Sandsäule 15 eine Höhe von 30 mm und die Bodensäule Io eine Höhe von 90 mm. In die Bodenproben A und B wurde als Ersatz für sich zu der Frostgrenze hin bewegendes Wasser 17 eine CMC-Lösung eingebracht die bei der Probe A eine Konzentration von 1% und eine Viskosität von 167 cP und bei der Probe B eine Konzentration vo- 0,5% und eine Viskosität von 28,9 cP besaß. In den Zylinder C wurde unbehandeltes Wasser mit einer Viskosität von 1 cP bei 2i° C eingebracht. Zum Gefrieren der in den Zylindern enthaltenen Bodenproben wurden die Zylinder in ein Gefrierbad von — 15°c gesenkt. Dabei wurden die Proben von unten nach oben mit einer festgelegten Geschwindigkeit von etwa 0,8 mm/h gefroren. In diesem Versuch wurde am Boden des Zylinders feuchter Sand 14 verwendet, um beim Beginn des Gcfrierens Schwankungen der Gefrierge-

schwindigkeit zu vermeiden. In F i g. 3 ist der Zustand der drei Proben Λ, flund C vor dem Gefrieren gezeigt. Fig.4 stellt den Zustand der Proben A und C 161 Stunden nach dem Gefrierbeginn dar. Fig.5 zeigt den Zustand der Proben B und C in demselben Zeitpunkt und aus F i g. 6 ist der Zustand der Proben A, B und C 281 Stunden nach dsm Gefrierbeginn ersichtlich. Aus diesen Figuren erkennt man, daß bei den Proben A und B eine sehr geringe Frosthebung und bei der Probe Ceine sehr starke Frosthebung stattgefunden hat. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, daß in dem in Fig.6 gezeigten Zustand die Proben A und B vollständig gefroren sind, während die Probe C noch nichtgefrorenen Boden 16 in einer Dicke von 40 mm enthält und die Frosthebung bei dieser Probe so groß war, daß der nichtgefrorene Boden 16 bei seinem Gefrieren über das obere Ende des Zylinders hinaus gehoben werden würde. Aus diesem Grund wurde diese 40 mm dicko Schicht 16 aus nichtgefrorenem Boden in einen anderen, ebensogroßen Zylinder überführt und einer ähnlichen Gefrierbehandlung unterworfen. Dabei wurde die Bildung einer reinen, von Bodenteilchen im wesentlichen freien Eisschicht oder Eislinse beobachtet Das schließlich erhaltene Frosthebungsverhältnis Ah: H₀ (dabei ist Ah der Betrag der Frosthebung und H₀ die ursprüngliche Höhe der Bodenprobe) betrug bei der Probe Cl 100%, bei den Proben A und B, in denen eine wäßrige CMC-Lösung von höherer Viskosität verwendet wurde, dagegen nur 44,2%, d. h. nur etwa Vm der Frosthebung der gewöhnliches Wasser enthaltenden Probe C Man erkennt daran, daß durch die Erhöhung der Viskosität des zugeführten Wassers die Frosthebung außerordentlich stark herabgesetzt werden kann. Die Ergebnisse dieses Versuchs zeigen ferner, daß die Proben A und B dasselbe Frosthebungsverhältnis haben. Man kann daraus schließen, daß man die Frosthebung bei künstlich gefrorenem Boden in befriedigendem Maße herabsetzen kann, Wenn man die Viskosität des Wassers, das sich zu der Frostgrenze hinbewegt, auf etwa das 30fache erhöht

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herabsetzen der Frosthebungen des Bodens beim künstlichen Gefrieren, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Gefrieren des Bodens eine flüssige Chemikalie zum Erhöhen der Viskosität des Porenwassers in diesen injiziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß Carboxymethylcellulose verwendet wird.