DE4304816A1

DE4304816A1 - Gerät und Verfahren zur Stabilisierung und Erkundung weichen Untergrundes

Info

Publication number: DE4304816A1
Application number: DE19934304816
Authority: DE
Inventors: Gerd Prof Dr Ing Gudehus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-17
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 1994-08-18

Description

Die Erfindung ist eine Kombination und Erweiterung der folgenden Erfindungen:

- Verfahren zum Einpressen von Pulver in weichem Boden (P 41 25 576.3);
- Verfahren zum Verformungsausgleich im Untergrund durch Einpressen bodenscho nender Pasten (P 42 10 196.4);
- Verfahren und Gerät zur Erzeugung strangförmiger Körper aus Pulver im Untergrund (P 42 03 106.0);
- Verfahren zur dynamischen Untergrundsondierung (P 42 41 011.8).

Kernstück und wichtigste Innovation ist eine als Kegelschieber ausgebildete bewegliche Spitze (Fig. 1). Die Vorderseite (1) ist ungefähr konisch ausgebildet, kann aber zusätzlich Ausrundungen und Rillen zur besseren Verdrängung, Verdichtung und Ableitung von Po renfluid aufweisen. Die Rückseite (2) ist ein glatter Konus an einer Stange (3). Dieser paßt in das konische Ende (4) eines Rohres. Beim Einbringen in die Arbeitsposition (a) ist der Ringspalt in der Regel geschlossen. Der Ringraum zwischen Rohr und Stange ist mit einem unter Druck stehenden Fluid gefüllt, das in der Regel granulare Stoffe enthält (5). Beim Hochziehen des Rohres (b) bleibt die Kegelschieberspitze etwas zurück, so daß sich vorne der Ringspalt öffnet. Das Fluid füllt den durch das Zurückziehen entstehenden Hohlraum sofort aus. Beim erneuten Vortreiben des Rohres (c) schließt sich der Ringspalt wieder. Das eingepreßte granulathaltige Fluid wird verdrängt und verdichtet, womit auch der umgebende Untergrund verdrängt und in der Regel verdichtet wird.

Hauptzweck der Erfindung ist das schonende Einpressen mineralischer neutraler granula rer Massen durch relativ enge Kanäle in weichen Untergrund mit gleichzeitiger Verdich tung desselben. Ist der Untergrund wasserunempfindlich, weist er also körnige gut drai nierende Schichten auf, ist eine möglichst neutrale mineralische Paste das anzustrebende Einpreßmaterial. Diese muß in und durch den Einpreßkanal und dessen Frontöffnung fließen können, muß aber nach dem Einpressen mindestens dieselbe Lagerungsdichte wie der um gebende Untergrund nach dessen Vergütung aufweisen. Beide Eigenschaften widersprechen einander: Wenn die Paste gut verdichtbar ist, verstopft sie auch leicht den Kanal. Eine Lösung ist jedoch in Anlehnung an die Behandlung von Frischbeton möglich: Die Paste besteht aus feineren und etwas gröberen Granulaten, enthält Luftblasen, und die Zähigkeit des Wassers ist durch ein Additiv erhöht. Bei der raschen Scherverformung im Zugangska nal und dem Ringspalt kann das Porenfluid nicht ausfiltern, behält also seinen Überdruck, so daß die effektive Druckspannung und damit die Scherfestigkeit des Granulats sehr ge ring bleibt. Der durch das Zurückziehen des Gerätes entstehende Hohlraum im Untergrund wird durch die fließfähige, unter Druck stehende Paste sofort gefüllt. Beim erneuten Vor schieben wird die Paste durch den vorderen Konus verdrängt, womit sich der umgebende Untergrund verdichtet, soweit dieser körnig und locker ist. Unterstützt durch Vibrationen treten Wasser und Luft nun aus der Paste zur Mantelfläche und in den Untergrund aus. Wegen der abgestuften Kornverteilung wird die gewünschte Verdichtung schon nach einer relativ geringen Verringerung des Porenanteils erreicht.

Für bindigen Untergrund kommt eine Paste nicht in Frage, da das ausgefilterte Wasser ihn verschlechtern würde und sich überschüssiges Wasser kurzfristig nicht extrahieren läßt. Geeignet ist trockenes mineralisches Pulver, das in den Untergrund eingepreßt und dort verdichtet wird und der Umgebung Wasser entzieht. Selbst trockenes und extrem locke res Pulver verstopft sich jedoch in üblichen Einpreßgeräten. Gelingt das Einpressen, muß das Pulver im Untergrund verdichtet werden, da es sonst nach dem Ansaugen von Wasser puddingartig weich wird. Das Pulver kann wie gebräuchlicher Trockenmörtel mit einem pneumatischen Sender üblicher Bauart mit Druckluft angereichert und in den Ringraum zwischen Rohr und Stange schon vor dem Eindrücken des Geräts gefüllt werden. Erforder lich ist ein Hohlraum im Untergrund, da sich sonst eine Verstopfung und ein Gegendruck vor dem Ringspalt bilden kann. Beim erneuten Vortreiben des Rohrs und der den Rings palt dann schließenden Spitze wird das Pulver verdrängt und verdichtet. Die überschüssige Luft strömt vor allem außerhalb des eingedrückten Rohres nach oben ab. Wenn das Pulver mehrere Korngrößen aufweist, ist die anfängliche Porenzahl nicht extrem hoch und braucht zur erforderlichen Verdichtung nur relativ wenig verringert zu werden. Überschüssiges Was ser des umgebenden Untergrunds wird anschließend vom verdichteten trockenen Granulat aufgesaugt.

Eine Gerätekonfiguration und deren Einsatz sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Zunächst wird in die nicht zu stabilisierende, aber oftmals zu schützende Deckschicht des Untergrun des ein Rohr mit größerem Durchmesser (1) eingebaut, das auch zur Führung des Ein preßrohres dienen kann. Das Einpreßrohr (2) mit der Kegelschieberspitze (3) hat oben einen seitlichen Zugang für das Fluid. Auf dem Einpreßrohr sitzt ein Aggregat zum Vor treiben und Zurückziehen (5), das sich gegen ein Baugerät abstützt. Am Rohr sitzt ein weiteres Aggregat (6), mit dem Axial- und/oder Drehschwingungen in das Rohr einge tragen werden können. An der Gerätekonfiguration sind an verschiedenen Stellen (durch kleine schwarze Rechtecke angedeutet) Geber zum Messen von Verschiebungen, Geschwin digkeiten, Beschleunigungen, Drücken sowie deren Fluktuationen angebracht. Die zur Ke gelschieberspitze führende Stange weist an ihrem Eingang ein Steuer- und Stellorgan zum Verschieben und Drehen auf (7). In dem Ringraum zwischen Rohr und Stange kann sich ein rippen- oder wendelförmiger verschieblicher und drehbarer Abstandshalter (8) befinden.

Zunächst wird das Schutz- und Führungsrohr schonend in die Deckschicht eingebracht. Dann wird das Einpreßrohr soweit wie möglich in den zu vergütenden Untergrundbereich vorgetrieben. Der Vortrieb kann durch Einpressen von Fluid in kontrollierten geringen Mengen und/oder durch Axial- oder Drehschwingungen erleichtert werden, ohne daß sich die geringen Störungen in der Umgebung schädlich auswirken. Die von den Meßgebern aufgenommenen Signale geben Auskunft über die Steifigkeit, Bindigkeit und Dränierbarkeit des Untergrundes. Aufgrund dieser Daten können Art und Menge des einzupressenden Materials genauer festgelegt werden.

Nun wird das Rohr ein Stück zurückgezogen und Paste oder Pulver in den Untergrund ge preßt (vgl. Fig. 1). Dabei kann bereits weicher Untergrund verdrängt und überschüssiges Porenfluid ausgefiltert werden. Beim anschließenden Vortreiben des Rohrs in die frühere Position wird das Granulat verdrängt und verdichtet, und überschüssiges Porenfluid wird ausgefiltert und strömt - vor allem außen am Rohr entlang - ab. Der umgebende Un tergrund wird ebenfalls verdrängt und soweit verdichtet, wie Porenfluid in der Zeit des Vortreibens abströmen kann. Die durch den Schwinger gegebenenfalls in das Rohr ein getragenen Axial- und Torsionsschwingungen fördern die Verdichtung durch die günstige Kombination von Druck und nahezu zyklischer Scherung. Anders als bei üblichen lateral schwingenden Tauchrüttlern bleibt die Abstrahlung von Erschütterungswellen damit ge ring, so daß Erschütterungsschäden in der Umgebung vermieden werden. Nun wird das Rohr erneut ein Stück zurückgezogen, dabei wieder Granulat eingepreßt, wieder vorgetrie ben und verdrängt und verdichtet. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die für den Arbeitsabschnitt erforderliche Granulatmenge eingepreßt ist. Anschließend wird das Einpreßrohr bis zur nächsten Arbeitsposition zurückgezogen, und der Vorgang wiederholt sich.

Eine Variante des Geräts ist in Fig. 3 dargestellt. Das Schutz- und Führungsrohr (1) ist bis zur Einpreßstelle vorgetrieben und verschiebt sich beim anschließenden Einpressen nicht. Das Einpreßrohr mit der Kegelschieberspitze wird aus- und eingefahren, wobei es zum Einpressen und Verdichten in oben beschriebener Weise kommt. Das Führungsrohr (2) kann unten konisch sein und einen Ringspalt aufweisen, durch den überschüssiges Porenfluid in den Ringraum und von dort nach außen abströmen kann. Die Antriebsaggregate des Schutzrohres und des Einpreßrohres (3) können miteinander gekoppelt sein. Zusammen mit der Mengen- und Druckversorgung für das Einpreßfluid arbeiten sie wie eine Pumpe. Mit dieser Variante ist die energieverzehrende und evtl. störende Mantelreibung auf den Einpreßbereich begrenzt, wo sie in erster Linie verdichtend wirkt. Einpreßdrücke und -mengen lassen sich genauer kontrollieren.

So entsteht ein säulenähnlicher Vergütungsbereich aus eingepreßtem und verdichtetem Gra nulat. Der umgebende Untergrund wird ebenfalls vergütet, da er während des Einpressens und danach überschüssiges Wasser und Luft über natürliche Dränschichten, am Rohr ent lang und gegebenenfalls durch die Saugwirkung des eingepreßten Pulvers abgibt. Festigkeit und Steifigkeit nehmen dadurch im Mittel zu. Dazu genügt die Verdichtung und Verspan nung, dem eingepreßten Granulat kann jedoch durch Zusetzen von Bindemitteln überdies eine geringe Kohäsion gegeben werden. Dieses Verfahren hat gegenüber dem Einpressen von Zementsuspensionen mehrere Vorteile: Der Einpreßbereich ist auf Säulen begrenzt und damit besser kontrolliert, der Untergrund erhält keine unerwünschten harten Einschlüsse, evtl. schädliches Spül- und Filtrationswasser wird nicht eingebracht, der Untergrund wird nicht chemisch verändert. Das Verfahren erlaubt auch eine nichtmechanische Stabilisierung: Eingepreßte Pasten oder Pulver können das Gefrieren erleichtern, die Selbstreinigung des Untergrundes befördern oder die Zersetzung in ihm befindlicher Baukörper bremsen. Es ist auch möglich, mit der Vorrichtung nacheinander verschiedene Fluide einzupressen. Ein rippen- oder wendelförmiger Abstandshalter im Rohr kann dem Fluidstrom eine günstige Spiralform geben. Außerdem kann der Abstandshalter durch Drehung oder Verschiebung von außen die Räumung des Ringraumes von Granulat befördern.

Zur Stabilisierung des Untergrundes ist das Einpressen an mehreren Stellen erforderlich. Die Einpreßrohre können vertikal, schräg und - von Gräben oder Schächten aus - waa gerecht in die Vergütungsbereiche führen. Damit ist die Stabilisierung auch in der Nähe empfindlicher Bauwerke möglich. Das Einpressen an mehreren Stellen kann gleichzeitig oder nacheinander stattfinden. Beim abwechselnden Einpressen in benachbart stehende Rohre wird der dazwischen liegende Untergrund hin und her verformt und dadurch besser verdich tet. Das Einpreßvolumen kann über das zur Verdichtung erforderliche Maß hinausgehen, um Boden seitlich oder nach oben zu verdrängen, damit Verschiebungen bzw. Setzungen kompensiert werden. In jedem Falle werden die Verschiebungen der Untergrundoberfläche, angrenzender oder eingebetteter Baukörper zur Kontrolle verfolgt. In eine durch Einpressen erzeugte Granulatsäule kann anschließend eine Stange oder ein Rohr eingetrieben werden. Diese kann zur Armierung des Untergrundes dienen, wobei der Schubverbund durch ein Bindemittel oder Reibverspannung entsteht; im zweiten Falle kann der Stab leichter wieder herausgezogen werden. Des weiteren kann mit Hilfe eingeführter Rohre und Packer der Untergrund weiter stabilisiert werden, beispielsweise mittels Gefrierverfahren. Schließlich können mittels eingeführter Rohre und Packer Sender und Aufnehmer zur Prüfung des Un tergrundes dazwischen eingeführt werden. Zum einen läßt sich damit die Durchlässigkeit nach dem Prinzip der hydraulischen Tomographie (Patentantrag P 42 36 692.5) bestimmen. Zum andern kann auf diesem Wege die Scherwellengeschwindigkeit und damit die Schub steifigkeit des Untergrundes ermittelt werden (Patentantrag P 42 41 627.2). Auf diesem Wege läßt sich die Untergrundstabilisierung wirtschaftlicher und sicherer durchführen.

Claims

1. Gerät und Verfahren zur Stabilisierung und Erkundung weichen Untergrunds, da durch gekennzeichnet, daß ein in den Untergrund eingetriebenes Rohr eine als Kegelschieber ausgebildete Spitze aufweist, die beim Zurückziehen das Austreten von Fluid aus dem Rohr in den Un tergrund ermöglicht und beim Vortreiben mit geschlossenem Ringspalt eingepreßtes Granulat sowie den Nahbereich des Untergrunds verdrängt und verdichtet.

2. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der Kegelschieberspitze und des Rohrs annähernd konisch mit oder ohne Ausrundungen und/oder Rillen und die Rückseite annähernd konisch mit oder ohne Ausrundungen des Längsschnitts ausgebildet ist.

3. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelschieberspitze mit Hilfe einer zum Rohranfang führenden Stange axial ver schoben und gedreht werden kann.

4. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Fluidstrom genutzte Ringraum zwischen Rohr und Stange frei ist oder rippen- oder wendelförmige Abstandshalter aufweist, die fest, verschieblich oder dreh bar ausgebildet sind.

5. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Rohranfang eine seitliche Öffnung für den Zustrom des Fluids angebracht ist.

6. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Rohranfang eine Vorrichtung zum monotonen oder pulsierenden Eintreiben oder Ziehen angebracht ist.

7. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Rohranfang ein Gerät zum Eintragen von Axial- und/oder Torsionsschwingungen angebracht ist.

8. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Untergrund ein Rohr eingeführt ist, das zum Schutz der Umgebung und zur Führung des genannten Einpreßrohres dient.

9. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vortreiben Luft, Wasser oder ein anderes Fluid als Gleitmittel eingepreßt wird.

10. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Drücke und deren Fluktua tionen gemessen und im Sinne einer Sondierung ausgewertet werden.

11. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ziehen in wasserunempfindlichen Untergrund Pasten eingepreßt werden, die Granulate verschiedener Korngrößen, Wasser, Luftblasen und Verflüssiger enthalten.

12. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in wasserempfindlichen Untergrund trockene pumpfähige Granulate beliebiger Zusam mensetzung mittels Druckluft eingepreßt werden.

13. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vortreiben, ggfs. mit gleichzeitigem Vibrieren, die eingepreßten Massen und der benachbarte Untergrund verdrängt und verdichtet werden, wobei überschüssiges Porenfluid abströmt.

14. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutz- und Führungsrohr bis zur Einpreßstelle reicht, zum Ableiten überschüssigen Porenfluids dient und/oder mit Pump- und Steuerorganen verbunden ist.

15. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander oder im Wechsel verschiedene Fluide eingepreßt und Sondierungen durch geführt werden.

16. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere derartige Einpreßrohre mit beliebigen Richtungen und beliebigen Abständen zur Anwendung kommen.

17. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einpressen durch eine Gruppe derartiger Rohre zwecks optimaler Anpassung in be liebiger raumzeitlicher Abfolge stattfindet.

18. Gerät und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einpressen an denselben Stellen Stäbe oder Rohre zur Bewehrung, Meß überwachung oder anschließenden Stabilisierung beliebiger Art eingeführt werden.