DE2739379A1

DE2739379A1 - Erdverfestigungverfahren unter verwendung von luft

Info

Publication number: DE2739379A1
Application number: DE19772739379
Authority: DE
Inventors: Kenji Kawasaki; Yoshio Minamikawa; Shigeyoshi Miura; Akira Ohashi
Original assignee: Konoike Construction Co Ltd
Current assignee: Konoike Construction Co Ltd
Priority date: 1976-09-02
Filing date: 1977-09-01
Publication date: 1978-03-09
Also published as: JPS5331309A; US4133179A; FR2363668A1; FR2363668B1; JPS5920814B2; NL7709575A; IT1113285B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu« Verfestigen des Erdreiches, insbesondere ein Verfahren zum Verfestigen eines lockeren Untergrundes oder zum Verringern der Permeabilität des lockeren Erdreichs, wobei ein Injektionsrohr in das lockere Erdreich eingetrieben und das Erdverfestigungsmittel unter Verwendung von Luft über Einspritzdüsen an der Spitze des Injektionsrohres in Form einer Suspension oder einer Lösung als Flüssigkeitsstrahl ■it hohem Druck in das Erdreich eingespritzt wird.

Beim Einspritzen des als Suspension oder Lösung vorliegenden Verfestigungsmittels unter hohem Druck in das Erdreich werden die Erdpartikelchen innerhalb der Reichweit· des Einspritzstrahles mit dem Verfestigungsmittel vermischt und zwar sowohl durch die Durchschlags- und Zerstörungskräfte des FlUssigkeitestrahles als auch durch den Mix- und Rühreffekt, den der Flüssigkeitsstrahl erzeugt. Hierdurch werden die Erdpartikelchen in ein verfestigtes Erdreich eingebunden.

Wird die Injektionsdüse bzw. das Injektionsrohr bei gleichzeitiger horizontaler Konstanthaltung der Einspritzrichtung im Erdreich nach unten gedrückt oder nach oben gezogen, dann entstehen wandähnliche Erdverfestigungen. Wird die Injektionsdüse bzw. das Injektionsrohr bei der Auf- und Abbewegung im Erdreich gleichzeitig rotiert, dann entstehen unterirdische verfestigte Säulen.

Im Wasser oder im Erdreich nimmt jedoch der dynamische Druck des Flüssigkeitsstrahles mit zunehmender Strahlungsdistanz stark ab und dementsprechend ist die effektive

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Reichweite des Einspritzstrahls, d.h. der Bereich, in dem die Erdverfestigung bewirkt werden kann, relativ begrenzt. Zum Beispiel wird bei einer rotierenden Ein-

2 spritzung bei einem Druck von 200 - 300 kg/cm in sandigem Boden (ca. 10 in N- Wert) oder in einem lehmigen Boden (3-4 in N-Wert) lediglich ein erdverfestigter Säulendurchmesser von 40 - 50 cm erreicht.

Um die effektive Reichweite des Einspritzstrahles zu erhöhen, ist vorgeschlagen worden, Injektionsrohre mit doppelter oder mehrfacher Zuleitung zum Einspritzen des Verfestigungsmittels einerseits und zum Einblasen von mittels eines Luftkompressors komprimierter Luft andererseits zu benutzen, wobei die Einspritzung gleichzeitig von einer Einspritzdüse erfolgt, die in Form einer konzentrisch ausgebildeten Zweifach-Düse oder einer Dreifach-Düse konstruiert ist. Entsprechend diesem Verfahren können die hydraulischen Brechungskräfte, d.h. die Reichweite des Einspritzstrahles verbessert werden, da die Expansionskräfte der komprimierten Luft das Erdreich auseinanderdrücken. Jedoch sind die Expansionskräfte der komprimierten Luft relativ gering und es muß daher eine große Luftmenge kontinuierlich in das Erdreich eingedrückt werden, um die gewünschte Verbesserung der hydraulischen Brechungskraft zu erreichen. Die eingegebenen großen Luftmengen bilden in dem Erdreich häufig große Luftblasen, die ein Brodelphänomen zur Folge haben, d.h. die Luftblasen quellen an die Oberfläche des Erdreiches und reißen das injizierte Erdverfestigungsmittel mit. Dadurch wird ein großer Anteil des Erdverfestigungsmittels in Bereiche zerstreut, in denen es ohne Wirkung bleibt. Folglich ist auch der Anteil des Erdverfestigungsmittels in dem gewünschten Verfestigungsbereich des Erdteils stark unterschiedlich

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und es ist unmöglich, ein wirklich homogen verfestigtes Erdreich in der gewünschten Ausdehnung zu erhalten. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß die komprimierte Luft durch doch relativ aufwendige Doppel- oder Mehrfachdüsen zugeführt werden muß und beachtliche mechanische Anlagen erforderlich sind, um die Luft zu komprimieren und in das Erdreich einzudrücken.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und ein neues Verfahren zu entwickeln, vermittels dem eine homogene Erdverfestigung wirtschaftlich erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein Verfestigungsmittel aus Portlandzement oder aus einer anorganischen oder organischen Substanz mit luftangereichertem Wasser, das vorher durch Aufrühren des mit einem schaumbildenden Zusatz versehenen Wassers gebildet ist, vermischt und durchgeknetet wird, wodurch eine Suspension oder Lösung mit einer Vielzahl mikroskopischer Luftblasen entsteht, die mit einem hohen Druck von mindestens 200 kg/cm in das Erdreich injiziert wird, um eine homogene Erdverfestigung in weiten Bereichen des Erdbodens- zu erreichen. Ein anderes Erdverfestigungsverfahren sieht vor, daß von einem Erdverfestigungsmittel aus Portlandzement und einem Beschleunigungsmittel für die Gelatinierung entweder nur eines oder beide mit Luftangereichertem Wasser, das vorher durch Aufrühren des mit eine· schaumbildenden Zusatz versehenen Wassers gebildet ist, vermischt und durchgeknetet wird, wodurch eine Suspension oder Lösung mit einer Vielzahl mikroskopischer Luftblasen entsteht, woraufhin zwei flüssige Mittel gleichzeitig oder eine Mischung der flüssigen Mittel in das Erdreich injiziert wird, um eine homogene Erdverfestigung in weiten Bereichen des Erdbodens zu erreichen.

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Wird Luft in Kombination mit einem Flüssigkeitsstrahl in der vorgenannten Weise eingesetzt, dann werden die Zerstörungskräfte und die hydraulische Reichweite des Flüssigkeitsstrahles entscheidend erhöht. Der Zerstörungseffekt wird durch Verstärken des dynamischen Druckes des Flüssigkeitsstrahles gesteigert, indem dieser mit einer großen Anzahl unter hohem Druck stehender mikroskopischer Luftblasen durchsetzt ist. Zugleich wird aber auch ein zusätzlicher Zerstörungseffekt durch hydraulische Kavitation erreicht, da die Luftblasen kontinuierlich mit den zu zerstörenden Erdsubstanzen zusammenstoßen. Die größte Effektivität wird erreicht, wenn eine große Anzahl möglichst harter und zäher mikroskopischer Luftblasen in der Suspension oder Lösung des Verfestigungsmittels vorhanden sind.

Zum Herstellen einer möglichst großen Anzahl stabilisierter Luftblasen in Wasser ist diesem als Beispiel ca. 1 % schaumbildender Zusatz hinzuzufügen, der aus einem anionischen Aktivator, einem nicht-ionischen Aktivator des polyoxyal- kylene - alkyl - ether - Typs und einem polymerischen Schaumstoffstabilisator zusammengesetzt ist. Wenn diesem Wasser Portlandzement zugegeben wird und die Mischung durchgeknetet wird, so wie man Zementmilch im Verhältnis von 1 : 1 Gewichtsprozenten herstellt, dann entsteht eine Zementsuspension von 20 - 70 % (Anteil der Luftblasen) mit einem hohen Anteil mikroskopisch kleiner Luftblasen (ca. 1 mm im Durchmesser). Diese Zementsuspension wird mit einem hohen Druck von mindestens 200 kg/cm über die Einspritzdüse eines Injektionsrohres in das Erdreich in den gewünschten Verfestigungsbereich eingespritzt.

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Beispiel Nr. 1

Ein Injektionsrohr mit einem Durchmesser von 40,5 mm wird senkrecht in das Erdreich bis auf eine Tiefe von 8 Metern vorgetrieben. Es handelt sich um einen schlammigen Lehmuntergrund mit einem N-Wert von 2-3, wie er bei dem wiedergewonnenen Land in dem Südhafen von Osaka vorhanden ist. Die vorerwähnte mit Luft angereicherte Suspension wird vermittels einer Hochdruck-Tauchpumpe in das Erdreich eingebracht, die bei 200 kg/cm Druck eine Pumpleistung von 42 Litern/Minute besitzt. Die Suspension wird in horizontaler Richtung über eine Düse mit einem Innendurchmesser von 2 mm in das Erdreich eingespritzt, wobei die Düse an der unteren Spitze des Injektionsrohrers angeordnet ist. Das Injektionsrohr wird mit 20 U/min, und mit einer Hubgeschwindigkeit von 12,5 cm/min, aus dem Erdreich herausgezogen, wodurch eine erdverfestigte Säule entsteht. Zu diesem Beispiel wurden Vergleichsversuche gefahren, wobei die Bedingungen geändert wurden, d.h. es wurde eine Suspension ohne Luftblasen aus handelsüblichem Portlandzement benutzt, die Pumpleistung wurde durch Verwendung von zwei Tauchpumpen und eines Düsendurchmessers von 3 mm erhöht, wobei die Hubgeschwindigkeit verdoppelt wurde. Die Ergebnisse der Vergleichsexperimente sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt:

	Druck , (kg/cm^z)	Düsen durchmesser (mm)	Rotations- geschwin digkeit (U/min)	Hubge schwin digkeit (cm/min)	mittlerer Durchmesser der erdver festigten Säule (cm)
I	200	2	20	12,5	50
II	M	η	N	N	90
III	M	3	N	25,0	65 j
IV	m	H	M	M	90 j

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I und III : Zement + Wasser (Verhältnis 1:1) II und IV : Zement + Wasser 4- Schaumzusatz (Verhältnis 1:1:0,01)

Aus der vorstehenden Tabelle ist ablesbar, daß im II. und IV. Fall, bei dem eine luftangereicherte Suspension aus Portlandzement benutzt wurde, ein größerer Säulendurchmesser erreicht werden konnte als in den Fällen I und III.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die geformten Luftblasen mit einem hohen Druck von mindestens 200 kg/cm aufgeladen (komprimiert) bevor sie zusammen mit dem Verfestigungsmittel in das Erdreich eingeschossen werden. Dadurch tritt beim Einbringen des Erdverfestigungsmittels in das Erdreich eine explosive Expansion der Luftblasen ein, die eine wesentliche Verbesserung der Zerstörungskräfte des Injektionsstrahles und auch eine Verbesserung der Reichweite des Injektionsstrahles zur Folge haben. Ein Vorteil ist auch, daß beim Vermischen des Verfestigungsmittels mit luftangereichertem Wasser alle größeren Luftblasen in dem Mischtank an die Oberfläche steigen und nur die mikroskopisch kleinen Luftblasen von der Pumpe angesaugt und zusammen mit der Zementmilch bzw. dem Erdverfestigungsmittel in das Erdreich gepumpt werden. Somit erfordert das erfindungsgemäße Verfahren nicht die hohen Luftanteile, die bisher bei den bekannten Verfahren in das Erdreich gedrückt wurden, so daß das Brodelphänomen nicht auftritt. Auch ist die Verwendung doppelter oder dreifacher Zuleitungen in dem Injektionsrohr nicht erforderlich. Im Ergebnis kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine homogene Erdverfestigung mit einer hohen Belastbarkeit und Stabilität erzeugt werden·

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Beispiel Nr. 2

Ein Verfestigungsmittel aus Portlandzement wird mit luftangereichertem Wasser vermischt und durchgeknetet, wobei das luftangreicherte Wasser wieder vorher durch Aufrühren des Wassers mit einem schaumbildenden Zusatz erzeugt wird. Während die so entstandene Zementmilch mit den mikroskopischen Luftblasen mit einem hohen Druck gepumpt wird, wird gleichzeitig ein Beschleunigungsmittel aus Wasserglas für die Gelatinierung vermittels einer zweiten Pumpe gepumpt und beide Flüssigkeiten werden in einem Mischkopf vermischt und gemeinsam über eine Einspritzdüse in das Erdreich eingespritzt. Das Ergebnis gleicht in etwa dem Ergebnis gemäß dem Anwendungsbeispiel Nr. 1, d.h. es wird ebenso eine verfestigte Säule mit einem wesentlich größeren Durchmesser erzeugt.

Wie bereits erwähnt, wird auch hier bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Suspension oder eine Lösung eines Erdverfestigungsmittels unter Anwesenheit von Luftblasen, die vorher vermittels eines schaumbildenden Zusatzes erzeugt worden sind, unter hohem Druck in das Erdreich eingeschossen. Dementsprechend erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keinerlei Doppelrohre oder Dreifach-Rohre und auch keine wirbelerzeugenden Vorrichtungen zum Vermischen der zugeführten Substanzen und auch keine Luft-Kompressoren. Weiterhin werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in der eingespritzten Suspension oder Lösung im wesentlichen gleich große und mikroskopisch kleine Luftblasen erzeugt, die den Zerstörungseffekt des Injektionsstrahles entscheidend verbessern. Bei Anwendung des neuen Verfahrens entstehen auch keine Turbulenzen in dem zu verfestigenden Erdreich, die durch die separate Abgabe von komprimierter Luft und des Verfestigungsmittels in der Umgebung der Düse entstehen können, so daß es leichter mög-

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lieh ist, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Erdverfestigungsarbeiten wirtschaftlich durchzuführen und auch unterirdische Wandungen durch sich überschneidende Säulen herzustellen. Weiterhin ist es wesentlich, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die effektive Wirklänge des Injektionsstrahles, d.h. die Reichweite der hydraulischen Zerstörung in dem zu verfestigenden Erdboden stark verbessert werden kann, wobei in Abhängigkeit vom Druck und dem injizierten Volumen maximale Reichweiten mit hoher gleichbleibender Homogenität des verfestigten Erdreiches erreicht werden können. Die vorliegende Erfindung ist für die epochemachenden Verfahren zur Herstellung unterirdischer Säulen und Wände von extremer Bedeutung, da es mit ihr gelingt, die vorhandenen Verfahren wesentlich schneller, mit größerer Genauigkeit und mit großer Homogenität des verfestigten Erdreiches durchzuführen.

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Claims

Patentanwalt UpL-big. GERO LANGE Konoike Construction Co. Ltd. Minden / Westf. 55-go, 3-ban, 4-chome, Denpo Konohana-Ku 31. August 1977 Osaka / Japan Anwaltsakte: 534.220 Erdverfestigunqsverfahren unter Verwendung von Luft. Ansprüche

1.1 Erdverfestigungsverfahren unter Verwendung von Luft, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verfestigungsmittel aus Portlandzement oder aus einer anorganischen oder organischen Substanz mit luftangereichertem Wasser, das vorher durch Aufrühren des mit einem schaumbildenden Zusatz versehenen Wassers gebildet ist, vermischt und durchgeknetet wird, wodurch eine Suspension oder Lösung mit einer Vielzahl mikroskopischer Luftblasen entsteht, die mit einem hohen Druck von mindestens 200 kg/cm in das Erdreich injiziert wird, um eine homogene Erdverfestigung in weiten Bereichen des Erdbodens zu erreichen.

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2. Erdverfestlgungsverfahren unter Verwendung von Luft, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Erdverfestigungsmittel aus Portlandzement und einem Beschleunigungsmittel für die Gelatinierung entweder nur eines oder beide mit Luft angereichertem Wasser, das vorher durch Aufrühren des mit einem schaumbildenden Zusatz versehenen Wassers gebildet ist, vermischt und durchgeknetet wird, wodurch eine Suspension oder Lösung mit einer Vielzahl mikroskopischer Luftblasen entsteht,
woraufhin zwei flüssige Mittel gleichzeitig oder eine Mischung der flüssigen Mittel in das Erdreich injiziert wird, um eine homogene Erdverfestigung in weiten Bereichen des Erdbodens zu erreichen.

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