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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konsolidierung von wasserhaltigem Boden,
insbesondere die erzwungene Konsolidierung von relativ undurchlässigen,
komprimierbaren Bodenschichten.
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Die beschleunigte Entwässerung von Ton- und Torfschichten ist bekannt, indem zuerst
vertikale Entwässerungskanäle in diesen vorgesehen werden und dann diese Schichten
einer Last ausgesetzt werden. Die aufgebrachte Last übt einen Überdruck auf das
zwischenliegende Wasser in den Ton- oder Torfschichten aus. Die vertikalen
Entwässerungskanäle stellen eine beträchtlich verbesserte Abführung des Grundwassers
sicher. Dieses Entwässerungsverfahren bedeutet auch, daß Wasser im Boden in der
horizontalen Richtung zu den Entwässerungskanälen fließen kann, infolge dessen von
irgendeiner Schichtung in der Bodenstruktur optimaler Gebrauch gemacht wird. Im Fall
einer schichtenförmigen Bodenstruktur ist die Durchlässigkeit des Bodens in der
horizontalen Richtung in der Regel um einen Faktor von 10 größer als jene in der
vertikalen Richtung. Bei der Konsolidierung der Bodenschicht in dieser Weise wird der
Boden in gesteuerter Weise einer Belastung ausgesetzt. Es wird hier achtgegeben, um
die Last nicht so schnell aufzubringen und/oder sie so hoch zu machen, daß der
Erdkörper, der die Last bildet, rutschen kann. Aufgrund der Tatsache, daß es
erforderlich ist, die Stabilität der Last aufrechtzuerhalten, ist die Geschwindigkeit, mit
der die Entwässerung erzwungen werden kann, begrenzt.
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Bei dem vorstehend erwähnten Verfahren zur Konsolidierung kann eine horizontale
Entwässerungsschicht auf Bodenhöhe über der Oberseite der vertikalen
Entwässerungskanäle angeordnet werden. Diese Entwässerungsschicht umfaßt im
allgemeinen eine Sandschicht mit einer Dicke von beispielsweise 0,3 Metern oder mehr.
Diese Schicht absorbiert das Grundwasser, das den Boden über die
Entwässerungskanäle verläßt. Ein spezielles Ausfürungsbeispiel ist jenes, bei dem
diese Schicht mit einem Film bedeckt ist, dessen Kanten in den Boden bis unterhalb den
Grundwasserspiegel vergraben sind. Folglich wird es möglich, einen Unterdruck in der
Entwässerungsschicht und in den vertikalen Entwässerungskanälen, die an die
Entwässerungsschicht angrenzen, aufzubringen. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen
dem Unterdruck im Entwässerungssystem und dem Atmosphärendruck außerhalb des
letzteren wird im Untergrund eine Last erzeugt. Diese Last sieht den anfänglichen
Antrieb für den erzwungenen Konsolidierungsprozeß vor. Der Vorteil des Aufbringens
eines Unterdrucks besteht darin, daß der letztere leichter aufgebracht und entfernt
werden kann als eine dicke Schicht von Füllsand. Ferner kann der maximale erreichbare
Unterdruck unmittelbar ohne das Risiko aufgebracht werden, daß der zu behandelnde
Untergrund rutscht. Folglich ermöglicht dieses Konsolidierungsverfahren, daß ein
vorbestimmtes Niveau an Konsolidierung schneller erreicht wird als bei der
Verwendung einer oberen Last mittels eines Erdkörpers. Ferner ist dieses Verfahren
wirksam, da die aufgebrachte Druckdifferenz in drei Hauptrichtungen die gleiche Größe
aufweist.
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Ein Nachteil des vorstehend beschriebenen Konsolidierungsverfahrens besteht darin,
daß es nicht möglich ist, einen Unterdruck in der Entwässerungsschicht, die an der
Oberfläche liegt, von mehr als 6-7 Metern Wassersäule zu erreichen. Der Unterdruck in
dem mit Wasser gesättigten Boden nimmt um 0,1 bar pro Meter Tiefe ab, so daß in
einer Tiefe von 6 Metern Atmosphärendruck vorherrscht. Ferner wird Gas und/oder Luft
infolge der Druckvernngerung im Grundwasser an vielen Stellen im Boden freigesetzt.
Diese Bildung von Gas bedeutet, daß das abzupumpende Volumen zunimmt, was die
Wirksamkeit des Wasserentfernungssystems beeinträchtigt.
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Ein weiterer Nachteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß alle
vertikalen Entwässerungskanäle über die Entwässerungsschicht miteinander verbunden
sind, so daß das System insgesamt für ein Leck äußerst empfindlich ist. Es ist daher in
der Praxis häufig schwierig, den gewünschten Unterdruck für einen relativ langen
Zeitraum aufrechtzuerhalten. Das gesamte System ist für ein einzelnes Leck
empfindlich. Dies ist noch bedeutender, wenn in Erwägung gezogen wird, daß die
vertikalen Entwässerungskanäle bei den herkömmlichen Verfahren in Zahlen von 2000
bis 10000 pro Hektar verwendet werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur
Konsolidierung von wasserhaltigem Boden, bei welchem eine dauerhafte Verringerung
des Volumens des Bodens in wirksamer und schneller Weise herbeigeführt werden
kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Systems, durch das ein relativ großer Unterdruck im Boden aufgebracht werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines derartigen
Verfahrens, bei dem eine relativ kleine Anzahl von leicht zu betreibenden Pumpen
verwendet werden kann, wobei die Pumpen für Wartung relativ unanfällig sind, durch
den Grundwasserspiegel nicht nachteilig beeinflußt werden und in einer großen Anzahl
von verschiedenen Tiefen verwendet werden können. Zu diesem Zweck umfaßt das
erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:
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- Einführen eines Entwässerungselements in den Boden bis unterhalb den
Grundwasserspiegel,
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- Anordnen einer Pumpe in dem Entwässerungselement unterhalb des
Grundwasserspiegels,
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- Zuführen einer Pumpflüssigkeit zur Pumpe über eine Zuleitung,
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- und Abführen der Pumpflüssigkeit und zumindest des um die Pumpe vorhandenen
Grundwassers durch Mitführen des Grundwassers mit der Pumpflüssigkeit über die
Abführungsleitung.
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Unter Verwendung einer Pumpe, bei der die Pumpwirkung durch die Pumpflüssigkeit
erhalten wird, kann diese Pumpe in irgendeiner gewünschten Position im
Entwässerungselement angeordnet werden. Durch die erfindungsgemäße Pumpe wird
das Grundwasser nach oben gedrückt anstatt nach oben gesaugt.
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Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Pumpe wie z. B. einer Venturipumpe kann ein
Unterdruck von mindestens 9 Metern Wassersäule erzeugt werden. Wenn die
erfindungsgemäße Venturipumpe in einer Tiefe von 5 Metern angeordnet wird, ist die
Wirkung für einen Grundwasserspiegel, 1er einen Meter unter der Bodenhöhe liegt, ein
Unterdruck von 13 Metern Wassersäule. Bei den bekannten Verfahren wird ein
Unterdruck von nicht mehr als einem Meter Wassersäule erhalten. Aufgrund der
Tatsache, daß eine große Druckdifferenz unter Verwendung der Venturipumpe gemäß
der vorliegenden Erfindung erzeugt werden kann, kann eine ausreichende
Komprimierung des Bodens innerhalb einer relativ kurzen Zeit erreicht werden.
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Im Fall von Entwässerungselementen, die an der Oberseite offen sind, so daß Luft
eintreten kann, wird der Wasserspiegel unter Verwendung der Pumpe gemäß der
Erfindung abgesenkt. Aufgrund der Absenkung des Grundwasserspiegels nimmt die
Last infolge dessen, daß der Boden über den Wasserspiegel gelangt, und infolge der
Abwesenheit der Aufwärtskraft des Grundwassers auf diesem zu, infolge dessen die
Konsolidierung erreicht wird.
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Im Fall von Entwässerungselementen, die von der Umgebung durch eine obere
Abdeckung abgeschlossen sind, so daß der Zugang von Luft verhindert wird, wird ein
Unterdruck erreicht. Dieser Unterdruck sieht die Last auf der Bodenschicht vor, die die
Konsolidierung sicherstellt.
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"Entwässerungselement" soll eine Struktur bedeuten, die im Boden angeordnet ist und
eine größere Porosität aufweist als die umgebende Bodenschicht. Das
Entwässerungselement kann beispielsweise einen Schaft mit einem Durchmesser von
beispielsweise 10 cm oder mehr umfassen. Dieser Schaft kann mit Sand oder einem
anderen relativ porösen Material wie beispielsweise Schotter oder Kies gefüllt sein. Das
Entwässerungselement kann auch durch eine vertikale Wand gebildet sein, die aus
einem relativ durchlässigen Material besteht und eine Länge von mehreren Hundert
Metern, eine Tiefe zwischen 1 und 7 Metern und eine Breite zwischen 5 cm und 25 cm
aufweist. Ein Streifen von Filtertuch, der vertikal in den Boden eingesetzt wird, kann
auch als Entwässerungselement verwendet werden.
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Wenn der Untergrund selbst relativ durchlässig ist, wie z. B. ein sandiger Untergrund,
kann das Entwässerungselement beispielsweise nur ein röhrenförmiges Element
umfassen, das die erfindungsgemäße Pumpe enthält. Bei dieser Art Boden fällt der
Grundwasserspiegel, und angesichts der geringen Kompressibilität wird ein kleiner
Grad an Konsolidierung erhalten.
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Pumpen, die mit einer Pumpflüssigkeit arbeiten, weisen eine äußerst einfache
Konstruktion auf, da sie keine mechanisch beweglichen Teile umfassen und eine relativ
kleine Größe aufweisen können, wie beispielsweise einen Durchmesser von etwa 10
Zentimetern und eine Länge von etwa 20 Zentimetern. Folglich sind Pumpen dieser Art
für die Wartung relativ unanfällig und können leicht beispielsweise in einem relativ
engen Entwässerungsschaft oder einem relativ schmalen röhrenförmigen Element
angeordnet werden, wobei Biegungen im letzteren für die Einführung kein Hindernis
darstellen. Ferner ist es unter Verwendung von Pumpen dieser Art möglich, eine relativ
hohe Druckverringerung zu erreichen, die 50% höher sein kann als es bei
herkömmlichen motorbetriebenen Pumpen üblich ist. Dies führt zu größerer Effizienz,
und der gewünschte Konsolidierungsgrad kann schneller als bei den bekannten
Verfahren erreicht werden oder ein höherer Konsolidierungsgrad kann in derselben Zeit
erreicht werden.
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Vorzugsweise wird die Pumpe durch eine Venturipumpe mit einer Pumpleistung von
mindestens 1 m³ pro Stunde, vorzugsweise zwischen 1 und 10 m³ pro Stunde gebildet.
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Vorzugsweise werden sowohl Gas als auch das Grundwasser um die Pumpe herum über
die Abführungsleitung entfernt, indem sie mit der Pumpflüssigkeit mitgeführt werden.
Im allgemeinen wird die Pumpe zuerst verwendet, um Gas abzupumpen, das über dem
Wasser liegt. In einer folgenden Stufe wird eine große Menge an Gas und eine kleine
Menge an Wasser abgepumpt und schließlich wird ein Gemisch von Gas und Wasser
abgepumpt, da Gas kontinuierlich freigesetzt wird, wenn der Unterdruck ansteigt, und
kontinuierlich mitgeführt wird. Indem nicht nur das Wasser aus dem Boden, sondern
auch das Gas, wie z. B. Luft, durch die Pumpe entfernt werden, kann eine sehr schnelle
und wirksame Absenkung des Bodens herbeigeführt werden. Es wurde festgestellt, daß
durch Entfernen von sowohl Wasser als auch Gas aus einem wasserhaltigen Untergrund
die Absenkzeit um einen Faktor von 2 bis 8 beschleunigt werden kann, beispielsweise
eine Absenkzeit von 1 bis 3 Monaten im Vergleich zu Absenkzeiten von 6 Monaten bis
1 Jahr wie bei den bekannten beschleunigten Konsolidierungsverfahren. Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur schnellen Herstellung von
Baustellen und abgesteckten Straßen, die sich zum Bauen und zum Sicherstellen, daß
nach Fertigstellung die Absenkung der Bodenhöhe, die noch zu erwarten ist, so klein
wie möglich und vorzugsweise vernachlässigbar ist, eignen. In diesem Fall unterliegen
Kabel und Rohre, aber auch Gleise und gepflasterte oder asphaltierte Oberflächen oder
Wege, Straßen, Plätze, Pflaster, Gärten und dergleichen keiner Absenkung mehr, wenn
eine behandelte Fläche einmal fertiggestellt wurde. Dies führt zu einer beträchtlichen
Einsparung an Wartungskosten.
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Die Verwendung des erfindungsgemäßen Konsolidierungsverfahrens macht es auch
möglich, Bodenstreifen zu konsolidieren, wo Straßen und/oder Gärten gelegen sind,
während eine Bauarbeit um diese Streifen, die konsolidiert werden, ausgeführt wird. Da
die Bauarbeit auf dem komprimierbaren Boden das Einrammen von Pfählen beinhaltet,
ist die Konsolidierung an der Stelle der Bauarbeit selbst nicht möglich.
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Eine im wesentlichen luftdichte Dichtung kann an der Zufuhröffnung des
Entwässerungselements angeordnet werden, wie z. B. ein mit Sand gefüllter Schaft oder
ein röhrenförmiges Element. Wenn ein röhrenförmiges Element im Boden mit
geschlossener Röhrenwand und abgedichtetem Röhrenende angeordnet wird, welches
im Boden positioniert ist und mit Durchlöcherungen versehen ist, wobei das
röhrenförmige Element die Pumpe enthält, kann die Dichtung durch eine Kappe über
jenem Ende dieses röhrenförmigen Elements, das über dem Boden liegt, ausgebildet
werden. Eine Kappe dieser Art, die über dem blinden Teil des röhrenförmigen Elements
angeordnet ist, ist zum Erhalten eines ausreichenden Unterdrucks wesentlich.
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Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Entwässerungselementen im Boden angeordnet,
um eine wirksame Entwässerung zu erreichen. Vorzugsweise umgibt jedes
Entwässerungselement ein jeweiliges röhrenförmiges Element, in dem eine Pumpe
angeordnet ist. Es ist somit möglich, beispielsweise einen Streifen von 100 mal 5
Metern unter Verwendung von einem Entwässerungselement und einer
erfindungsgemäßen Pumpe, die darin angeordnet ist, zu konsolidieren, so daß nur 20
Entwässerungselemente und Pumpen pro Hektar Land erforderlich sind. Für eine
Absenkgeschwindigkeit von 30 mm/Tag ist es dann erforderlich, 15 m³ Wasser/Gas
unter Atmosphärendruck abzuführen. Zusammen mit dieser Menge ist auch
Leckverlustwasser, das durch den Boden von den Seiten oder der Unterseite einströmt,
und/oder Niederschlag auf der Oberfläche des Bodens vorhanden. Eine Pumpleistung
von 1-3 m³ pro Stunde reicht aus, um den Boden zu konsolidieren.
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Wenn im Fall, daß eine Mehrzahl von Entwässerungselementen vorhanden ist, jedes
Entwässerungselement mit seiner eigenen Pumpe versehen ist, hat dies den Vorteil, daß
im Fall, daß ein Gasüberschuß durch eine Pumpe eingesaugt wird, beispielsweise
aufgrund der Tatsache, daß die Dichtung ein Leck entwickelt hat oder eine Pumpe
versagt, dies keine nachteilige Wirkung auf die anderen Pumpen hat, die von dieser
unabhängig sind. Vorzugsweise ist jede Pumpe mit einer Überwachungsvorrichtung
zum Feststellen der Druckdifferenz über der jeweiligen Pumpe versehen. Folglich ist es
möglich, effizient zu prüfen, daß diese Pumpe nicht einen Luftüberschuß aufsaugt und
daß kein Bedarf besteht, die Dichtung auszutauschen.
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Im Fall von bekannten Pumpen besteht ein häufig angetroffenes Problem darin, daß das
im Grundwasser vorhandene Eisen die Pumpen und die Leitungen durch Koagulation
blockiert. Dies kann bei der vorliegenden Pumpvorrichtung in zweckmäßiger Weise
durch Zugeben einer Säure zur Pumpflüssigkeit verhindert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit Bezug auf die
beigefügte Zeichnung genauer erläutert, in der gilt:
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pumpe, die im
Untergrund angeordnet ist, und
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Fig. 2 zeigt eine schematische detaillierte Darstellung einer erfindungsgemäßen
Venturipumpe.
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Fig. 1 zeigt einen Untergrund 1 mit einem Grundwasserspiegel 3. Ein röhrenförmiges
Element 5 mit einem vertikalen Abschnitt 6 und einem horizontalen Abschnitt 7 ist im
Untergrund 1 angeordnet. Die Röhre 5 weist eine "blinde" Konstruktion im vertikalen
Abschnitt 6 auf und ist für Wasser und Luft im wesentlichen undurchlässig. Der blinde
Abschnitt der Röhre 5 kann beispielsweise 25 m lang sein. Dasjenige Ende der Röhre 5,
das im Untergrund angeordnet ist, mit einem Durchmesser von beispielsweise 10 cm, ist
mit Durchlöcherungen 8 versehen, durch die das Grundwasser in die Röhre 5 eindringen
kann. Eine Venturipumpe 9 mit einer biegsamen Zuleitung 11 und einer biegsamen
Abführungsleitung 12 ist in der Röhre 5 angeordnet. Eine Pumpflüssigkeit wie
beispielsweise Wasser wird durch die Zuleitung 11 über eine Zentrifugalpumpe 13 der
Venturipumpe 9 mit einem Druck von mehreren Atmosphären, beispielsweise 10
Atmosphären, Überdruck zugeführt. Aufgrund der Pumpflüssigkeit wird an der
Zufuhrseite der Venturipumpe 9 ein Unterdruck erzeugt und Flüssigkeit und Gas
werden durch die Pumpflüssigkeit über die Abführungsleitung 12 mit einem niedrigeren
Druck und einer höheren Durchflußrate im Vergleich zur Zuleitung 11 mitgeführt. Unter
Verwendung der Venturipumpe 9 ist es möglich, zwischen 1 und 10 m³ Wasser
und/oder Gas pro Stunde aus dem Untergrund 1 zu entfernen.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, befindet sich die Röhre 5 in einem Entwässerungselement 13.
Das Entwässerungselement 13 erstreckt sich beispielsweise bis in eine Tiefe von 7
Metern unterhalb der Oberfläche des Bodens 1 und weist eine zur Ebene der Zeichnung
senkrechte Abmessung von etwa 25-30 Zentimetern auf. Das Entwässerungselement 13
ist beispielsweise mit einem porösen Material wie z. B. Sand oder Schotter gefüllt.
Vorzugsweise sind eine Anzahl von Entwässerungselementen 13 parallel zueinander im
Untergrund in einem gegenseitigen Abstand von beispielsweise 5 Metern angeordnet, so
daß beispielsweise jeder Streifen von 100 m · 5 m ein Entwässerungselement enthält.
Jedes Entwässerungselement ist mit seiner eigenen Venturipumpe 9 versehen. Es ist
auch möglich, eine Vielzahl von Venturipumpen 9 in einem einzelnen
Entwässerungselement, beispielsweise an dessen beiden Enden, anzuordnen. Das
Wasser aus dem Untergrund 1 strömt zum nächstgelegenen Entwässerungselement 13
und wird über die Durchlöcherungen 8 in der Röhre 5 abgeführt. Eine Dichtung 15 in
Form von beispielsweise einer Kunststoffkappe ist an der Oberseite der Röhre S
angeordnet, was verhindert, daß Luft entlang der Oberseite des Entwässerungsschafts
zur Venturipumpe 9 durchtreten kann. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Entwässerungsstruktur kann jeder Streifen von 100 m · 5 m mit einer Geschwindigkeit
von 30 mm pro Tag abgesenkt werden.
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Eine obere Last kann in Form einer zusätzlichen Schicht von Erde oder Sand und/oder
Wasser auf den Untergrund 1 aufgebracht werden. In diesem Fall können die Röhren 5
leicht bis auf oberhalb die Bodenbedeckung verlängert werden, um die Pumpen 9 mit
ihren Zuleitungen 11 und Abführungsleitungen 12 in den Röhren 10 anordnen zu
können und sie bei Beendung zurückgewinnen zu können.
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Vorzugsweise wird die vorstehend beschriebene Entwässerungsstruktur in relativ
undurchlässigen Untergründen wie z. B. Ton oder Torf verwendet. Das
Entwässerungsverfahren, das das Anordnen einer Venturipumpe in einem
Entwässerungsschaft oder einer Entwässerungsröhre beinhaltet, kann auch für
Untergründe mit größerer Durchlässigkeit wie beispielsweise Sand verwendet werden.
In diesem Fall ist es nicht erforderlich, ein weiteres Entwässerungselement zusätzlich zu
einem röhrenförmigen Entwässerungselement zu verwenden.
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Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Venturipumpe 9 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Die Pumpflüssigkeit B wird durch eine Öffnung 19 in einer
inneren Röhre 20 zugeführt. Die Pumpflüssigkeit, die aus der inneren Röhre 20 mit
hoher Geschwindigkeit über eine Düse 22 austritt, führt zu einem Unterdruck an der
Zufuhröffnung 17 der Pumpe 9. Folglich werden Grundwasser und Gas, die um die
Pumpe herum vorhanden sind, in der Richtung des Pfeils A in die Zufuhröffnung 17
eingesaugt. Die Pumpflüssigkeit B und das Gas und/oder Wasser A, die eingesaugt
werden, werden über die Abführungsöffnung 18 der Pumpe abgeführt. Eine geeignete
Venturipumpe weist eine Länge von 320 Millimetern und eine maximale Breite von 70
Millimetern auf. Pumpen dieser Art werden von Grundfoss unter der Modellnummer
900216 hergestellt. Die maximale Abführung der Pumpen beträgt 2,5 m³/Stunde. In
einer Pumpe dieser Art sind die Verbindungen für die Zuleitung 11 und die
Abführungsleitung 12 nebeneinander in derselben Richtung orientiert. Die
Zufuhröffnung 17 liegt auf der entgegengesetzten Seite. Unter Verwendung der relativ
starren Leitungen kann die Venturipumpe mit der Zuführöffnung 17 auf der Vorderseite
in eine Röhre mit einem Innendurchmesser von 10 cm eingesetzt werden.
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Vorteilhafterweise kann eine Säure zur Pumpflüssigkeit B zugegeben werden, um das
im Grundwasser vorliegende Eisen aufzulösen, so daß die Venturipumpe 9, die
Zuleitung 11 und die Abführungsleitung 12 durch dieses Eisen nicht blockiert werden.
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Etwas des abgeführten Wassers A + B kann als Pumpflüssigkeit B wiederverwendet
werden.