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Injektionsverfahren und -vorrichtung zur
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Bodenverbesserunq Die Erfindung betrifft ein Injektionsverfahren
zur Bodenverbesserung im Lockergestein gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie
eine zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 15.
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Injektionen zur Bodenverbesserung lassen sich bisher nur in wasserdurchlässigem
Lockergestein erfolgreich durchführen.
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Die Wirkung der Injektionsmassen kommt dabei durch erhärtete Porenfüllung
zustande. Demgegenüber versagen in wasserundurchlässigen sowie in geringfügig wasserdurchlässigen,
d.h.
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bindigen Böden, die bekannten Injektionsverfahren. Der Grund hierfür
ist darin zu sehen, daß selbst niedrigviskos eingestellte Injektionsflüssigkeiten
den zu verbessernden Behandlungsbereich des Bodens nicht weit genug zu durchdringen
vermögen und damit keinen homogen tragfähigen Baugrund herstellen können.
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Es sind zwar schon mehrere Verfahren zum Injizieren von fließfähigen
Bindemitteln bekannt, mit deren Hilfe sich Zementsteinkörper im anstehenden Boden
herstellen lassen. Jedoch ist stets Voraussetzung für den Erfolg dieser bekannten
Verfahren, daß der Boden wasserdurchlässig ist.
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Somit beschränken sich die konventionellen Injektionen ausschließlich
auf das Verfüllen der natürlich vorhandenen Hohlräume im Fels und Lockergestein
mittels fließfähiger Bindemittel. Die so eingepreßten Bindemittel dichten und verfestigen
den
Behandlungsbereich nach zeitabhängig erfolgtem Abbinden und Erhärten.
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Die Anwendungsgrenzen derartiger fließfähiger Bindemittel sind bekannt
(DIN 4093 und Fachbuch "Bodeninjektionstechnik" von H. Cambefort,l969).
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Die Fließeigenschaften sowie die Verarbeitbarkeit dieser Bindemittel
bestimmen deren Eindringtiefe und Wirksamkeit im Behandlungsbereich des Bodens.
Hierbei müssen die zu behandelnden Bodenschichten eine hinreichende Wasserdurchlässigkeit
aufweisen, damit nicht unerwünschte Bodenaufsprengungen auftreten. Derartige Bodenaufsprengungen
werden verursacht, wenn der Verdrängungsmechanismus im Boden, bei dem das Wasser
durch das Einpreßgut ersetzt wird, nicht schnell genug funktioniert.
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Die eingesetzte hydraulische Pumpenenergie sprengt dann in Abhängigkeit
von der Beschaffenheit des Bodens über mehrere Meter weit reichende künstliche Fließwege
für das Injektionsgut auf. Die Folgen hiervon sind ein unkontrolliertes Abfließen
des Einpreßgutes aus dem Behandlungsbereich, was Fehlstellen im Injektionskörper
verursacht, sowie eine schädigende Beeinflussung der Nachbarbebauung.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, zur Beseitigung der geschilderten Nachteile ein Injektionsverfahren
sowie eine -vorrichtung zu schaffen, die es gestatten, eine nicht ausreichende bzw.
verlorengegangene Tragfähigkeit des Baugrundes an gezielter Stelle wieder herzustellen
und durch ungleichmäßige Bodensetzungen verursachte Bauwerksbeschädigungen still
zusetzen bzw. durch Hebungen sogar rückgängig zu machen, wobei gleichzeitig gewährleistet
sein soll, daß ein Abfließen des Injektionsgutes zu nicht gewünschten entfernten
Stellen unterbleibt.
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Die Merkmale des zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Verfahrens
gemäß der Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen
beschrieben.
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Die Merkmale der zur Durchführung des Verfahrens geschaffenen Vorrichtung
gemäß der Erfindung sind in Anspruch 15 aufgeführt.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen
16 - 23 enthalten.
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Mit dem erfindungsgemäß geschaffenen Verfahren und der Vorrichtung
ist die gestellte Aufgabe nicht nur in wenig wasserdurchlässigen Böden, sondern
auch in wasserundurchlässigen, d.h. bindigen Böden und sogar in wasserempfindlichen
Böden mit Vorteil lösbar.
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Dies ist deswegen von besonderer erfindungswesentlicher Bedeutung,
weil sich die häufigsten Bauwerkssetzungen bei wasserempfindlichen Böden ergeben,
die im allgemeinen einen hohen, fallweise organischen Schluff- und Tonanteil haben
können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt demgemäß ein Injektionsverfahren
zur Bodenverbesserung im Lockergestein durch Einpressen schnellerhärtender Injektionsflüssigkeiten
unterschiedlicher Zusammensetzung (Zwei-Komponenten-Injektionsmassen) in solche
Bodenschichten dar, die sich mit den bekannten konventionellen Verfahren nicht verbessern
lassen.
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Somit wird eine Baugrundverbesserung durch eine Zwei-Komponenten-Verpressung
erzielt, wobei erfindungsgemäß Zwillingsventilrohre zur Anwendung gelangen, die
ein separates Einleiten der Verpreßstoffe bis in den Behandlungsbereich des Bodens
erlauben und erst in einer Mischkammer, die jeder Verpreßstufe zugeordnet ist, zusammengeführt
werden.
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Durch den Einbau von mechanisch ausdrückbaren Sperrscheiben in die
Zwillingsventilrohre wird im Rahmen einer Vorinjektion ein packerloses Verpressen
ermöglicht. Hierbei begrenzen die Sperrscheiben jede Einpreßstufe bei der von oben
nach unten durchgeführten Verpreßfolge.
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Die verwendeten Einpreßmittel sowie das in den Bohrlochringraum eingefüllte
Sperrmittel bilden insgesamt einen Feststoffschaum, der überschüssiges Wasser aus
den Einpreßstoffen, jedoch auch freiwerdendes Porenwasser aus der Bodenverdichtung
absorbiert.
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Im einzelnen wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Anwendung der
zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung derart durchgeführt,
daß in dem Behandlungsbereich des Bodens entsprechende Bohrlöcher hergestellt werden.
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Diese werden in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung entweder vertikal
und/oder geneigt in die erforderliche Richtung gebohrt, wobei dies mit oder ohne
Stützflüssigkeit erfolgen kann.
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In diese Bohrungen werden dann erfindungsgemäß ausgestaltete Zwillingsventilrohre
eingesteckt, die jeweils mit den Rückfluß verhindernden Rückschlagventilen, gebildet
durch abstandsweise angeordnete Öffnungen in der jeweiligen Ventilrohrwand sowie
diese überdeckende Ventilmanschetten aus Gummi o. dgl., ausgerüstet sind. Der Innendurchmesser
der Zwillingsventilrohre kann in der Größenordnung von 20 - 50 mm liegen, während
der Ventilabstand, d.h. der Abstand zwischen den einzelnen Ventilbereichen, zweckmäßigerweise
im Größenbereich von 33 - 100 cm liegt.
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Erfindungsgemäß ist jeder Ventilbereich durch eine Mischkammer umschlossen,
die in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
als Ventilrohrklammer
ausgebildet ist, um die beiden das jeweilige Zwillingsventilrohr bildenden Ventil
rohre fest miteinander zu verbinden.
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Nach dem Einstecken der Zwillingsventilrohre in die Bohrlöcher wird
der verbleibende Bohrlochringraum mit einem Sperrmittel ausgefüllt, wobei dieses
Sperrmittel aus einer Suspension bestehen kann, die sich aus Wasser, Bentonit, Zement
und einem Füller zusammensetzt. In wasserempfindlichen Böden kann als Sperrmittel
zum Ausfüllen des Bohrlochringraums ein Feststoffschaum verwendet werden, der überschüssiges
Wasser aufnimmt und dieses aufgrund der dem Feststoffschaumeigenen Drainagewirkung
ableitet.
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Dieser wasserdurchlässige Feststoffschaum kann in Ausgestaltung der
Erfindung durch Zusatz von 1 - 3 Gew.°Ó Aluminiumpulver zum Sperrmittel, bezogen
auf den Zementgehalt der Sperrmittelsuspension, im Bohrlochringraum erzeugt werden.
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Es entspricht einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die
Zwillingsventilrohre aus einzelnen Ventilrohrabschnitten zusammenzusetzen, die miteinander
verschraubt sind. Zweckmäßigerweise ist hierbei jeder Ventilrohrabschnitt gegenüber
dem benachbarten Abschnitt durch eine Sperrscheibe abgetrennt, wobei diese Sperrscheibe
einen ansonsten erforderlichen Einfachpacker ersetzt und mechanisch von ihrem Sitz
nach unten ausdrückbar ist.
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Somit kann im Rahmen der Erfindung stufenweise von oben nach unten
packerlos eine Vorinjektion erfolgen. Zu diesem Zweck wird vor dem Beginn der nächsten
Injektionsstufe die Sperrscheibe mechanisch aus ihrem Sitz gedrückt. Auf diese Weise
können einzelne Injektionsstufen ohne den höheren Arbeitsaufwand des ansonsten erforderlichen
Setzens von Packern schneller durchgeführt werden.
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Um die Injektionsflüssigkeiten unterschiedlicher Zusammensetzung in
die Zwillingsventilrohre einleiten zu können, sind diese vorteilhafterweise mit
je einer Injektionsleitung über je einen Einfachpacker bei der Vorinjektion fest
verbunden und über jeweilige Doppelpacker bei der Haupt- bzw.
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Nachinjektion lösbar in vorbestimmter Tiefe verbunden. Hierbei kann
dann die Verbindung der Zwillingsventilrohre mit der jeweiligen Injektionsleitung
über die Doppelpacker beliebig oft erfolgen.
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Wie schon erwähnt, sind bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Zwei-Komponenten-Einpreßverfahren
die aus den Austrittsöffnungen der voneinander getrennten Ventilrohrstufen unter
dem Druck von Injektionspumpen ausfließenden Flüssigkeiten von unterschiedlicher
Zusammensetzung. Hierbei wird als Zusammensetzung für die eine der beiden unterschiedlichen
Injektionsflüssigkeiten beispielsweise im wesentlichen eine Bindemittelsuspension.
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oder -lösung verwendet, während für die andere Injektionsflüssigkeit
im wesentlichen eine die Spontanerhärtung in der Mischkammer auslösende Mischung
zur Anwendung gelangt.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die beiden
unterschiedlich zusammengesetzten Injektionsflüssigkeiten im Zeitpunkt des Ausströmens
aus den Rückschlagventilen in der umgebenden Mischkammer zwangsweise intensiv vermischt
und bilden momentan einen Feststoffkörper. Diese derart hergestellten Feststoffkörper
durchbrechen dann das die Mischkammer umgebende Sperrmittel und brechen den anstehenden
Boden an gezielter Stelle in vorgegebener Höhe und Eindringtiefe auf sowie verdrängen
und verdichten diesen Boden.
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Vorteilhafterweise kann den Injektionsflüssigkeiten ein Treibmittel,beispielsweise
Aluminiumpulver, beigemischt werden, das in den sich während der Reaktion bildenden
Poren des Feststoffkörpers überschüssig vorhandenes Wasser bindet.
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Um den ErhäAungsworgang zu beschleunigen, ist es von Vorteil, wenn
gleichzeitig mit wenigstens einer der beiden Injektionsflüssigkeiten ein zusätzlicher
Erhärtungsauslöser verpreßt wird. Diesem Erhärtungsauslöser können in Weiterbildung
der Erfindung Feststoffschaumbildner, beispielsweise Aluminiumpuler und/oder Polyurethankomponenten,
zugemischt werden.
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Die beiden Injektionsflüssigkeiten unterschiedlicher Zusammensetzung
können erfindungsgemäß einerseits aus Wasser, Zement aus/ sowie Füllmittel und andererseits
Wasser, Tonerdeschmelz sowie Zement bestehen.
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Stattdessen kann auch die eine der beiden Injektionsflüssigkeiten
aus Wasserglas und einem Füllmittel bestehen, während die andere Injektionsflüssigkeit
eine Calciumchlorid- oder Aluminiumsulfatlösung sein kann.
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In jedem Fall ist nach Abschluß der Erhärtung der verpreßten Injektionsflüssigkeiten
ein fester, fallweise mit feinen Poren durchsetzter, schaumartiger belastbarer Verfestigungskörper
entstanden, dessen Porenvolumen das überschüssige Wasser aufnimmt. Dieser sich ausbildende
Verfestigungskörper verdichtet den ihn umgebenden Behandlungsbereich, durchdringt
ihn teilweise und bildet ein tragfähiges Bindemittelgerüst aus. Darüber hinaus wird
durch den Feststoffeintrag ein ansonsten auftretender Bodenentzug kompensiert. Hierdurch
werden Setzungen
gestoppt, und der Boden wird zu erwünschten Hebungen
veranlaßt.
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Einer der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß es anstelle von Chemikalinjektionen den Einsatz von umweltfreundlichen
anorganischen Bindemitteln auf der Basis Zement und Wasserglas erlaubt und außerordentlich
leicht den unterschiedlichen b-odenmechanischen Eigenschaften des Baugrundes, wie
Wasserdurchlässigkeit und Bindigkeit, angepaßt werden kann.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Diese zeigt in: Fig. 1 schematisch im Schnitt teilweise perspektivisch ein Beispiel
für die Anwendung des Verfahrens bzw.
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der Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Ausgleich von Setzungen eines
Bauwerks; Fig. 2 schematisch im Schnitt die Injektionsvorrichtung vor der Einleitung
der Injektionsflüssigkeiten und Fig. 3 während der Einleitung der Injektionsflüssigkeiten;
Fig. 4 einen horizontalen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Linie IV-IV nach
Fig. 3 und Fig. 5 schematisch im Schnitt die Injektionsvorrichtung mit in die Zwillingsventilrohre
eingeführten Injektionsleitungen.
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Wie aus der Zeichnung, insbesondere aus Fig. 1, ersichtlich, gelangen
das Injektionsverfahren und die Injektionsvorrichtung beim dargestellten Ausführungsbeispiel
zur Anwendung, um ein Bauwerk 1, das aufgrund unzureichender Tragfähigkeit des Bodens
2 Setzungen gemäß der angedeutet dargestellten gestrichelten Linie 3 erfahren hat,
durch entsprechende Baugrundverbesserung bzw. -verfestigung wieder in Pfeilrichtung
4 anzuheben. Zu diesem Zweck werden von einer geeigneten Stelle 5 aus in die zu
behandelnde Schicht 6 des Bodens 2, die beim dargestellten Beispiel aus humosem
Schluff besteht, Bohrlöcher 7 gebohrt, und zwar je nach den vorliegenden Bedingungen
mit oder ohne Stützflüssigkeit. Die Bohrlöcher 7 werden, wie aus Fig. 1 ersichtlich,
in die zu behandelnde Bodenschicht 6 vertikal und/oder geneigt eingebracht.
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Nach der Fertigstellung der Bohrlöcher 7 werden in diese gleitend
Zwillingsventilrohre 8 eingesteckt, die in der aus Fig. 2 - 5 näher ersichtlichen
Weise jeweils aus zwei Ventilrohren 8a, 8b bestehen und fest miteinander verbunden
sind. Zu diesem Zweck sind geeignete Befestigungsmittel in Form von Ventilrohrklammern
vorgesehen, die im Abstand voneinander angebracht sind und die jeweiligen Einzelventilrohe
8a, 8b zur Bildung der Zwillingsventilrohreinheit 8 umklammern.
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Die Zwillingsventilrohre 8 sind jeweils aus einzelnen Ventilrohrabschnitten
9 zusammengesetzt,die über eine Schraubverbindungsstelle 10 miteinander verschraubt
sind.
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Wie deutlich aus der Zeichnung ersichtlich, weisen die Zwillingsventilrohre
8 im Abstand voneinander Ventilbereiche 11auf, die dadurch gebildet sind, daß die
einzelnen Ventilrohre 8a, 8b an ihrem Umfang mit verteilten Öffnungen 12 versehen
sind, die als Ventilauslaß dienen. Diese Ventilöffnungen 12 sind im jeweiligen Ventilbereich
11 durch eine jedem Einzelventilrohr
8a, 8b zugeordnete Ventilmanschette
13, beispielsweise aus Gummi bestehend, abgedeckt, so daß dadurch im jeweiligen
Ventilbereich 11 Rückschlagventile gebildet sind, die den Austritt von Injektionsflüssigkeit
aus den Zwillingsventilrohren 8 erlauben, deren Rückfluß in die Zwillingsventilrohre
8 jedoch verhindern.
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Die jeweils benachbarten Ventilbereiche 11 der eine Zwillingsventilrohreinheit
8 bildenden Ventilrohre 8a, 8b sind durch eine Mischkammer 14 umschlossen, die beim
dargestellten Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Ventilrohrklammer ausgebildet
ist.
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Wie besonders deutlich aus Fig. 4 ersichtlich, liegt die Mischkammer
14 den einander abgekehrten Flächen der Ventilmanschetten weitgehend an und ist
lediglich an der einander zugckehrten Umfangswand der beiden Ventilrohre 8a, 8b
oben und unten geöffnet. Die entsprechenden, nach außen führenden Öffnungen der
Mischkammer 14 können jedoch auch an geeigneter anderer Stelle angeordnet sein.
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Die jeweiligen Ventilrohrabschnitte 9 sind durch eine Sperrscheibe
15 abgedichtet voneinander getrennt, wobei diese Sperrscheibe 15 im unteren Bereich
der Mischkammer 14 angeordnet und in einen entsprechenden Innenumfangsschlitz 16
der Ventilrohre 8a, 8b der als Sperrscheibensitz dient, lösbar eingesetzt ist. Dadurch
ist die Sperrscheibe 15 auch mechanisch von ihrem Sitz 16 nach unten ausdrückbar.
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Wie deutlich aus Fig. 3 und 5 ersichtlich, sind die jeweiligen Injektionsflüssigkeiten
in die Zwillingsventilrohre 8 über Injektionsleitungen 17 einleitbar, die an geeigneter
Stelle Austrittsöffnungen 18 aufweisen. Diese Injektionsleitungen 17 sind bei Bedarf
mit Einfachpackern 19 oder mit Doppelpackern versehen und hierdurch mit den jeweiligen
Zwillingsventilrohren 8 verbunden.
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Wie schon beschrieben, werden zur Durchführung des Injektionsverfahrens
die Zwillingsventilrohre 8 in die in den Behandlungsbereich 6 des Bodens 2 gebohrten
Bohrlöcher 7 eingesteckt, worauf dann der zwischen den Zwillingsventilrohren 8 und
der Wand 20 des Bohrlochs 7 verbleibende Bohrlochringraum 21 mit einem Sperrmittel
bzw. Dichtungsmittel 22 ausgefüllt wird.
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Dieses Sperrmittel 22 kann eine Suspension aus Wasser, Bentonit, Zement
und einem Füller sein; jedoch kann auch bei wasserempfindlicben Böden als Sperrmittel
22 zum Ausfüllen des Bohrlochringraums 21 ein Feststoffschaum verwendet werden,
der überschüssiges Wasser aufnimmt und dieses durch seine Drainagewirkung ableitet.
Dieserwasserdurchlässige Feststoffschaum kann durch Zusatz von 1 - 3 Gew.° Aluminiumpulver
zum Sperrmittel 22, bezogen auf den Zementgehalt der Sperrmittelsuspension, im Bohrlochringraum
21 erzeugt werden.
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Danach werden dann in die Zwillingsventilrohre 8 über die jeweilige
Injektionsleitung 17 gesondert zwei Injektionsflüssigkeiten 23, 24 von unterschiedlicher
Zusammensetzung eingeleitet, wobei diese beiden Injektionsflüssigkeiten 23, 24 aus
den Austrittsöffnungen 18 der Injektionsleitungen 17 austreten und über die Ventilöffnungen
12 ins Innere der Mischkammer 14 gelangen. Bei der Erst- bzw. Vorinjektion befindet
sich hierbei jeweils noch die Sperrscheibe 15 auf ihrem Sitz 16, so daß die erforderliche
Abdichtung nach unten gegeben ist, während die Abdichtung nach oben durch einen
geeigneten Einfachpacker 19 bewirkt werden kann, der das Innere der Zwillingsventilrohre
8 mit der jeweiligen Injektionsleitung 17 verbindet (s. beispielsweise Fig. 5).
In der Mischkammer 14 werden die beiden unterschiedlichen Injektionsflüssigkeiten
23, 24 zusammengeführt und dort zwangsweise intensiv vermischt, wodurch sie momentan
einen Feststoffkörper 25 bilden. Diese derart hergestellten Feststoffkörper 25 durchbrechen
dann beim Austritt aus der Misch-,otUls kammer 14 (s. Fig. 4) umgebende Sperrmittel
22 und
brechen den anstehenden Boden 2 an gezielter Stelle in vorgegehner
Höhe sowie Eindringtiefe auf sowie verdrängen und verdichten diesen. Nach endgültigem
Abschluß der Erhärtung der beiden Injektionsflüssigkeiten 23, 24 ist dann ein fester,
fallweise mit feinen Poren durchsetzter, schaumartigersbelastbarer Befestigungskörper
26 (s. Fig. 1) entstanden, dessen Porenvolumen das überschüssige Wasser aufnimmt
und der den ihn umgebenden Behandlungsbereich 6 verdichtet. Dadurch werden die vorher
gemäß der gestrichelten Linie 3 aufgetretenen Setzungen des Bauwerks 1 gestoppt
und erwünschte Hebungen in Pfeilrichtung 4 veranlaßt.
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Etwaige weitere Merkmale des beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen
Vorrichtung ergeben sich im übrigen besonders deutlich aus der Zeichnung sowie auch
aus den Ansprüchen. Sämtliche der beschriebenen Merkmale können einzeln oder wahlweise
in Kombination miteinander zur Anwendung gelangen.