DK157689B - Fremgangsmaade til forbedring af den strukturelle styrke af bloed jord og blanding til brug ved udfoerelse af fremgangsmaaden - Google Patents

Description

- i -

DK 157689 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til forbedring af den strukturelle styrke af blød jord som angivet i krav l's indledning.

5 Efterhånden som mængden af anvendelig jord ønskes med samfundets fortsatte udvikling, ses det, at entreprenørvirksomhed og byggemodning, som hidtil er blevet udført under udvælgelse af arealer med forholdsvis gunstige jordbundsbetingelser. gradvis vil komme ud for snævrere grænser.

10 Resultatet har været yderligere forskning med henblik på forskellige entreprenør- og byggemodningsprojekter på lokaliteter med dårlige jordbundsforhold, og det har vist sig, at en væsentlig fordring består i at forbedre og stabilisere jord, som ikke er tilfredsstillende. En metode, som 15 normalt benyttes til sikker og hurtig bygning på sådan utilfredsstillende jord, er imprægneringsmetoden, som består i, at et stabiliseringsmateriale indsprøjtes i og bringes til at imprægnere jorden med henblik på sådanne formål som isolation over for vand og jordforbedringh.

20 Den hyppigst benyttede form for stabilisering af denne art i Japan er af den viskose type, hvis egenskaber er særlig dårlige i henseende til sammentrykkelighed og styrke. Navnlig blød eller svag jord med organisk materiale såsom tørv og jord med løv og humusstoffer frembyder store 25 problemer, når man forsøger at udnytte sådanne arealer.

Trods daglige fremskridt i teknologien er det en kendsgerning, at de betingelser, som hersker i sådan jord, ikke helt forstås.

30 I forbindelse med den ovennævnte imprægneringsmetode eksi sterer der tre velkendte metoder til anvendelse af denne teknik på jord af den nævnte type. Disse er: (1) hulrumsinjektion, hvor stabiliseringsmaterialet brin-35 ges til at trænge ind i mellemrummene mellem jordpar tiklerne eller partiklerne af organisk materiale,

DK 157689 B

- 2 - (2) pulserende imprægnering, hvor indtrængning af stabiliseringsmaterialet i de svagere punkter af de bløde jordlag får lov at foregå naturligt, og (3) "søjleimprægnering", hvor det bløde jordlag omrøres 5 til cylinderform og derpå blandes med stabiliserings midlet, idet cylindrene da hærder til søjlelignende strukturer, så at man bringer den understøttende jord selv til at tilvejeringe den lastbærende understøtning i form af hærdede søjler.

10

Det mest økonomiske og almindeligst benyttede imprægneringsmateriale er cement, som i hovedsagen omfatter port-landcement eller flyveaskecement. Et sådant materiale er uorganisk og er derfor ikke-forurenende i modsætning til 15 injicerede kemiske midler eller lignende. Det bemærkes imidlertid, at brugen af imprægneringsmaterialer på cementbasis medfører følgende ulemper med hensyn til organisk jord.

20 (I) Hsrdningsmekanismen for cement, hvor calcium udgør 60% af de totale bestanddele, hidrører fra calciumionens reaktion. Hvis den jord, som cementen injiceres i, indeholder organiske bestanddele, absorberes disse bestanddele til calciumionerne med den uheldige . følge, 25 som består i et tab af cementens hærdeegenskaber.

Slutresultatet er et udtalt fald i den efter hærdning opnåelige styrke. Det er derfor forbudt at foretage cementbehandling i områder, hvor den bløde jordbund indeholder store mængder organisk materiale. Følgelig 30 er kalkbehandling som bekendt blevet benyttet som et alternativ til cementbehandling. Alligevel har det vist sig, at selv brugen af kalk ikke har nogen gunstig virkning i blød jord, som har et humusindhold bestående af tørv eller løvholdig muld på over 0,05%, da 35 den ikke vil hærde.

DK 157689 B

- 3 - (II) Da jord, som indeholder organisk materiale, er blød og derfor uden stabiliserende egenskaber, har bestræbelserne på at forbedre søjlestrukturerne mødt følgende vanskeligheder: 5 (a) Jord, som indeholder organisk materiale, kan forventes praktisk taget ikke at frembyde nogen friktionsmodstand. Når der derfor først er udviklet en svaghed i en del af en søjle på grund 10 af en vibration eller af anden grund, er der fa re for, at en sådan svaghed vil få jordmaterialet som helhed til at bryde sammen.

(b) Organisk jord og søjlestrukturen udgør ikke et enhedslegeme og danner derfor ikke et jordlag af 15 sammensat type. Når der derfor påføres en på virkning såsom en belastning, sker denne påvirkning alene på søjlerne og kan forårsage søjlernes ødelæggelse tillige med destabilisering af jorden i dens helhed.

20 (c) Da der ikke kan fås nogen hjælp fra friktions modstand som forklaret ovenfor under (a), må grunden direkte under søjlen bringes til at bære lasten. Dette kan være en yderst uøkonomisk løsning i tilfælde, hvor det bløde jordlag har 25 en betydelig tykkelse.

(III) Metoder til forbedring af organisk jord ved stabilisering uden imprægnering er fx de konventionelle metoder bestående i (a) afvanding og sammentrykning 30 udført ved dræning af vertikal type, (b) erstatning, hvor en del af den bløde jord erstattes, og (c) afvanding og sammentrykning udført ved anbringelse af lag af jordmateriale og sand oven på jordarealet i en passende tykkelse. Det skal imidlertid bemærkes, 35 at disse metoder har et fælles problem. Specielt kræver metoderne (a) og (c) normalt anvendelsen af en belastning til "udpresning" af porevandet,

DK 157689B

- 4 - hvilken belastning ofte tilvejebringes af en måtte af sand eller lignende. Sand er også normalt det materiale, som benyttes til erstatning af det jordmateriale, som fjernes ved metode (b).

5

Da blød jord indeholdende organisk materiale er sammensat af alluvium, som har et højt grudvandsindhold, er den mængde sætning eller sammensynkning, som tilskrives belastningen, naturligvis stor. Når den bløde jord kontinuerligt 10 udsættes for en belastning i form af sand, udvikles der et mættet, løst sandlag under det lavvandede grundvandsplateau. Hvis dette sandlag overskrider en tykkelse på 2 meter, og den øverste del deraf dækkes og fastholdes af en vejbelægning, af land som er forberedt til bygning, eller 15 af en ikke-vandgennemtrængelig konstruktion såsom en viskos jordvold langs en vej, kan vibrationer eller lignende forstyrrelser i jorden som følge af tixotropi forårsage, at der udvikles det såkaldte fluidiseringsproblem i det løse sandlag under vandplateauet. Den alvorlige ustabilitet som 20 følge af en sådan fluidisering kan bevirke fuldstændig øde læggelse af hele strukturen.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen udgør et gennembrud i teknikken og er den kendte teknik økonomisk overlegen, idet 25 omkostningerne kan reduceres med mere end 30% i forhold til de konventionelle metoder.

Formålet med opfindelsen er“ således at anvise en løsning på de vanskeligheder, som opstår, når man vil udføre jord-30 stabilisering af blød eller svag jord indeholdende organisk materiale.

Gennem opfindelsen bliver det muligt at benytte let tilgængelige og billige materialer samt at nyttiggøre industri-35 og landbrugsaffald.

DK 157689 B

- 5 -

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved det i krav l's kendetegnende del anførte.

Opfindelsen angår også en blanding til brug ved konsolide-5 ringsinjicering som angivet i krav 2's indledning, og denne blanding er ejendommelig ved det i krav 2‘s kendetegnende del anførte.

Opfindelsen skal forklares nærmere i forbindelse med teg-10 ningen, hvor fig. 1 er et skematisk billede, som viser det grundlæggende princip ved opfindelsen, fig. 2 et skematisk billede, som illustrerer forholdet 15 mellem opfindelsen og en konventionel metode, fig. 3 et skematisk billede af det apparat, som benyttes sammen med midlet ifølge opfindelsen, og fig. 4 a-c skematiske billeder, som viser tre stadier af den konstruktionsmetode, som benyttes i forbindelse 20 med midlet ifølge opfindelsen.

De principper, som benyttes ved forbedring og stabilisering af jord i konventionel praksis, kan opdeles i fire kategorier: (1) afvanding, (2) sammentrykning, (3) konsolidering 25 eller hærdning og (4) erstatning. Der har været mange eksempler på tilfælde, hvor man i konventionel praksis har udført forskellige jordforbedringsoperationer under anvendelse af forskellige af ovennævnte principper i individuelle trin.

30

Fig. 1 illustrerer skematisk metodens basis. Et kendt specifikt imprægneringsapparat benyttes til successiv injektion af et erstatningsmaterialemiddel 12 fra forud valgte injektionspunkter 11 i den bløde organiske jord 13, som 35 skal forbedres, og der foretages kontrol af operationen til opnåelse af den fornødne forøgelse af jordens styrke ved de kombinerede virkninger af sammentrykning, afvanding og dræ-

DK 157689B

- 6 - ning for hver injektionsoperation, idet slutresultatet er, at den del af jorden, hvor erstatning med injiceret materialemiddel er blevet foretaget, danner en halvstabiliseret erstatningsstruktur.

5 Målet er at bevirke en forøgelse i jordens styrke som et resultat af fremadskridende afvanding og sammentrykning. Metoden søger ikke at erstatte vandet i mellemrummene mellem jordpartiklerne med det injicerede materiale, men 10 er snarere indrettet på at presse vandet ud ved sammentrykning. Ifølge det her benyttede princip vil blød jord, som først er blevet stabiliseret ved sammentrykning på denne måde, forblive stabiliseret. Dette vil sige, at stabiliseringsmekanismen er irreversibel. Jorden kan ikke 15 vende tilbage til sin tidligere tilstand af svaghed eller blødhed, idet der sættes en stopper for særligt ekstreme ydre betingelser. Som et resultat heraf kan jorden gives den styrke, som er nødvendig til sikring af dens stabilitet.

20 Når der benyttes konventionel teknik til bearbejdning af lokaliteter med et i forvejen afgrænset areal med henblik på forbedring og stabilisering af jorden alene inden for den afgrænsede zone, kommer man ud for store vanskelighe-25 der ved benyttelse af den kendte tekniks imprægnerings- systemer, hvor man benytter materialer på cementbasis. Derfor tilvejebringes der gennem midlet ifølge opfindelsen visse forbedringer, som eliminerer de vanskeligheder, som man kommer ud for i den kendte teknik.

30

Der er to metoder, som kan benyttes i forbindelse med injektionen af et flydende middel i jorden til stabilisering af en afgrænset zone. Den første består i at frembringe en forøgelse i friktionsmodstanden mod væske-35 strømning ved grænserne af den zone, som skal stabili seres, så at den fluidiserede masse, som hidrører fra den injicerede væske, holdes tilbage, og det område, som

DK 157689B

- 7 - behandles med det injicerede flydende middel, lokaliseres inden for zonen, som skal stabiliseres.

Den anden metode består i at injicere en væske med lav 5 vægtfylde, atter at lokalisere det dermed behandlede område og at afgrænse det behandlede område inden for et lavt lag som illustreret i fig. 1. En sammenligning mellem disse to løsninger vil vise, at den første er effektiv til et forholdsvis tyndt lag af blød organisk jord, især når formålet 10 er at behandle et svagt lag i dets helhed, medens den anden metode er egnet, når der er et dybt lag af blød organisk jord, og når formålet er kun at behandle til en begrænset dybde.

15 Ved anvendelse af et passende imprægneringsapparat til gentagelse af injektionsoperationerne og efterfølgende afvanding, sammentrykning, dræning, erstatning og stabilisering eller hærdning, idet man kontrollerer injektionsoperationen i overensstemmelse med det særlige formål, som skal nås i 20 hvert enkelt tilfælde, styrkes det svage lag gradvis af det injicerede materiale. De fremadskridende grænser for den fluidiserede masse, som dannes ved hver successiv injektionsoperation, samvirker med andre sådanne grænser, som dannes under andre injektionsoperationer, til sammentryk-25 ning af det svage lag og derved at klemme porevandet ud, idet det behandlede område vokser med successive injektioner af det benyttede' partikelholdige flydende middel. Derfor arbejder lasteffekter in situ og dræningsvirkning in situ konstant på grænsefladesystemet mellem den fluidisere-30 de masse og resten af det jordlag, som skal stabiliseres, og porevandet trykkes ud af den behandlede jord og drænes bort. Som et resultat heraf sker der en pludselig forøgelse af graden af sammentrykning af det svage lag i grænsefladezonen og en samtidig og proportional forøgelse af jor-35 dens styrke. Den rette regulering og styring af operationen i henseende til den benyttede nøjagtige sammensætning af midlet, mængden af det injicerede materiale og injektions-

DK 157689B

- 8 - tiden afhænger af den særlige karakter af det område, som behandles.

Et materiale, som er blevet benyttet ved den første af 5 ovenstående injektionsmetoder, er et materiale, som indeholder sand eller sandholdig jord med middelfin til fin partikelstørrelse. Til den anden metode bør midlet imidlertid indeholde materiale med lav vægtfylde såsom aske fra industriaffald, som er blevet brændt i en forbrændings-10 anstalt, formstofaffald i pulverform, træaffald i pulverform, vulkansk aske, kulaske fra kraftværker og avner og skaller fra korn eller andet landbrugsaffald i pulverform. Kombinationen af de materialer, som benyttes ved injektionsmidlet ifølge opfindelsen, betyder en afvigelse fra 15 den kendte teknik, og de benyttede mængdeforhold er blevet verificeret på basis af gentagne forsøg. Midlet består af cement, bentonit, vand og et stof A i de respektive forhold 1,0:0,1 - 2,0:1,0 - 3,5:0,5 - 2,0. Stoffet A er et naturligt forekommende materiale eller et affalds-20 materiale med lav vægtfylde. Det kan bestå af et stof fra en gruppe af de ovennævnte naturligt forekommende materialer eller affaldsmaterialer eller være andre let tilgængelige naturligt forekommende materialer eller affaldsmaterialer med lignende vægtfylde. Da udvælgelsen 25 af stoffet A afhænger af den organiske jords betingelser, vil det valgte materiale variere fra sted til sted.

Medbenyttelsen af betonit som en del af midlet tjener flere formål. Betonit homogeniserer hver af bestanddelene og 30 fremkalder en stabil kolloid suspension. Det gennemtrænger også imprægneringsvæsken med den fornødne fluiditet. Ved blanding af bentonit først med vand og affaldsmaterialet og derpå endelig ved tilsætning af cement gennemtrænges den fremkomne injektionsvæske med en ekspansionsegenskab, som 35 bestemmer hastigheden for ændringen af rumfanget på stabiliseringstidspunktet. Yderligere tjener bentonit til at holde bestanddelene i den fluidiserede masse, hvorved det

DK 157689B

- 9 - hindres, at eventuelle spor af eventuelt skadelige stoffer, som indeholdes i industriaffaldet, opløses og spredes i grundvandet. Bentonit virker således som en slags bindemiddel med henblik på imprægneringen og sikrer, at der ikke 5 sker nogen forurening af omgivelserne i forbindelse med injektionen i områder, hvor visse kemiske midler kunne skabe problemer.

Fremgangsmåden gør det mulig at benytte de fire principper 10 for jordforbedring i samme proces som beskrevet ovenfor, hvorved der tilvejebringes en hurtigere og mere økonomisk fremgangsmåde til stabilisering af jorden. Imidlertid udføres erstatningen og stabiliseringen på en måde med henblik på opnåelse af afvanding og sammentrykning, som er 15 de primære faktorer ved opnåelse af den ønskede jordforbedring.

Det injicerede middel bør omfatte let tilgængelige materialer, der er så billige som muligt. En fordel ved frem-20 gangsmåden er, at man primært kan udvælge materialer, som ikke bortøder ressourcer, men muliggør brugen af materialer, som fås ved udnyttelse af industri- og landbrugsaffald.

25 Som beskrevet ovenfor er et af de store problemer, som man kommer ud for ved den imprægneringsteknik, som normalt benyttes, den dårligere hærdning af cementmaterialer i organisk jord. I denne henseende behøver den cement, som benyttes ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, kun at 30 tilvejebringe en forholdsvis lav styrke hos den jorder statningsstruktur, som dannes i jorden efter injektionen, da formålet med fremgangsmåden i høj grad er at opnå en stabiliseringseffekt ved uddrivning af vandet i jorden og ved sammentrykning. Det forholder sig med andre ord på 35 den måde, at fremgangsmåden ikke er baseret på en forlods udnyttelse af den omstændighed, at det stabiliserede område opnåeen høj grad af hårdhed. Det er tilstrækkeligt, hvis styrken af cementen svarer til jordens styrke vurderet på basis af den endeligt opnåede grad af sammentrykning.

DK 157689B

- 10 -

Imidlertid søger metoden faktisk at forebygge det fluidise-5 ringsfænomen, som ellers måtte forventes at opstå som følge af forekomsten af jordrystelser eller vibrationer, så at man undgår en ulykke hidrørende fra et sammenbrud af jordstabiliteten. Metoden søger også at fastholde eventuelle spor af skadelige stoffer, som måtte findes i et injek-10 tionsmateriale omfattende industriaffald, til den injicere de grunds område. Dette sker ved, at det injicerede materiale bringes til at størkne og hærde til en vis grad, så at der ikke undviger eller spredes noget spor af stof fra det injicerede areal. Der er blevet udført forskellige 15 forsøg til opnåelse af disse resultater, idet resultaterne er det middel, som fremgår af kravene. Følgelig er en anden fordel ved fremgangsmåden et højere niveau for strukturel pålidelighed og offentlig sikkerhed.

20 Fig. 2 viser det grundlæggende princip for grundforbedring ifølge den konventionelle teknik, som er baseret på pulserende injektion af alene det injektionsmateriale på cementbasis til dannelse af en dyb søjlestruktur 14. Da ingen grundforbedring er mulig ved denne teknik i det bløde øver-25 ste lag 13, og da der følgelig ikke kan fås nogen struktu rel assistance fra dette lag, er sluteffekten den, at en bygning står på et antal forholdsvis slanke uforstærkede søjler 15 med god indbyrdes afstand, og eksistensen af et dybt sidesystem 16 bidrager ikke væsentligt til strukturens 30 integritet.

Derimod forholder det sig ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen på den måde, at ikke blot vil det injicerede middel 12 selv skabe et lavt konsolideret spredningssystem 10, men 35 også det omgivende bløde jordlag 13 sammentrykkes til dan nelse af en betydelig underjordisk "tømmerflåde" til byggeformål. Det vil være klart, at selv om systemet 14,15 i

DK 157689B

- 11 -

Fig. 2 hærder i høj grad og udvikler sig til større dybde end den fulde dybde H' i det bløde jordlag, medens systemet 10 i fig. 1 kun hærder i ringe grad og kun forløber i den lave dybde H, så er den i fig. 1 opnåede 5 strukturelle stabilitet meget større på grund af spredningen af systemet i den lave dybde og sammentrykningen af den omgivende jord.

Den foreliggende opfindelse udføres ved den metode og det 10 apparat, som fremgår af USA patentskrift nr. 4.309.129, canadisk patentskrift nr. 1.096.646 og engelsk patentskrift nr. 1.601.308.

Arbejdsprincippet ved konstruktionsmetoden skal nu forkla-15 res i forbindelse med fig. 3 og 4.

Midlet ifølge opfindelsen injiceres ved hjælp af en pumpe 1 og en ledning 2 fra et reservoir, som er anbragt på jordoverfladen. Det vil ses, at injektionstrykket P o 20 (kg/cm ') kan udtrykkes ved formlen:

P = (A x M) + D

3 hvor A er vægtfylden af det injicerede middel i kg/cm , M er højden af væskesøjlen i cm, og D er udgangstrykket for 2 g pumpen i kg/cm^. · 2

Idet man antager, at jorden har styrken Q (t/m ), kan jorden ødelægges til tilladelse af injektion af midlet, når P er større end Q. Ligevægtsbetingelsen P = Q nås, når jor-3Q den har fået tilstrækkelig styrke, og det injicerede middel begynder at blive tvunget tilbage mod reservoiret mod pumpetrykket. Når en sådan tilstand er blevet nået, kan man med sikkerhed afbryde pumpens virksomhed, fordi denne tilstand normalt er et tegn på, at jorden er blevet tilfreds-25 stillende konsolideret. I fig. 4a er man begyndt at inji cere midlet ved nedpumpning i jordformationen (P>Q). Fig.

4b viser ligevægtsbetingelsen P = Q, og fig. 4c viser be- - 12 -

DK 157689B

tingelsen, hvo'r P<Q. I fig. 4a-4c betegner R en forgrenet vægstruktur, som dannes ved hærdning af det injicerede middel.

5 Hvis injektionstrykket for midlet til at begynde med fastsættes til en værdi, som er større end den lokale jordstyrke, kan relationen, hvor P>Q, opretholdes, og injektionen kan derefter udføres.

10 Man har udført forsøg med ovennævnte apparat og metode, og resultaterne fremgår af følgende tabel.

15 20 25 30 35 - 13 -

DK 157689 B

/-N

Ti CM

^ e (DO \

Ti-η P

<H Φ· O' cO 'd W ^ Φ d > X Ό <

d Φ CM

ί>»Ρ P (η τ-

CO O II

'n tf

CM

φ β X > d +>

P CM

Kl -p r- 3 A„

CQ

O

tf

d H CM

Φ cO S

d M w

W CD P

«Η d ^ cO 6 d oo h o Φ

CD Φ CQ ,Ω O

P d )

Cd d d O V.

Eh !>> d 9h CP\

-μ O

CO Ό O

II

tf "d Φ cd h mm •h ·· cd ·> ~

O d3IOO

Λ d cd s ·* ·« O > d ch ·· O <j--m p P X - ~ hO -H <r- c- i ffi g © od»··· ^ p Φ

d d v- CM

Η Φ Φ - ·> φ p w o o d ·· ή d P d ·· ·· •h d φ ^ Φ t> V- V- bh φ d o tf

hO

S

CQ

d

O

tf

Claims (2)

1. Fremgangsmåde til forbedring af den strukturelle styrke af blød jord indeholdende organisk materiale ved injicering 5 af en blanding af cement, bentonit, vand og et let, fin delt, inert materiale i mindst en del af jorden og komprimering af jorden, således at vand i hulrum i jorden bliver presset ud fra denne, og jorden bliver såvel afvandet som konsolideret, kendetegnet ved, at der benyttes 10 en blanding, som indeholder cement, bentonit, vand og et materiale A i forholdet 1,0 : 0,1-2,0 : 1,0-3,5 : 0,5-2,0, idet materialet A er et eller flere af følgende materialer: vulkansk aske, træaffald i pulverform, plastaffald i pulverform, kulaske fra varmekraftværker, skaller fra korn og 15 lignende jordbrugsaffald i pulverform eller forbrændings ovnsaske .

2. Blanding af cement, bentonit, vand og et let, findelt, inert materiale til brug ved konsolideringsinjicering for 20 at danne revner i jorden og forbedre den strukturelle styrke af blød jord indeholdende organisk materiale, kendetegnet ved, at den indeholder cement, betonit, vand og et materiale A i forholdet 1,0:0,1-2,0:1,0-3,5:0,5-2,0, idet materialet A er et eller 25 flere af følgende materialer: vulkansk aske, træaffald i pulverform, plastaffald i pulverform, kulaske fra varme-kraftværker, skaller fra korn og lignende jordbrugsaffald i pulverform eller forbrændingsovnsaske. 30 35