EP2535461B1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von bodenelementen - Google Patents
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- EP2535461B1 EP2535461B1 EP11170167.8A EP11170167A EP2535461B1 EP 2535461 B1 EP2535461 B1 EP 2535461B1 EP 11170167 A EP11170167 A EP 11170167A EP 2535461 B1 EP2535461 B1 EP 2535461B1
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- European Patent Office
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- tool
- mixing
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- jet grouting
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
- E02D3/12—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil
- E02D3/126—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil and mixing by rotating blades
Definitions
- the invention relates to a method and a device for the production of soil elements for ground improvement.
- the so-called “deep soil stabilization” is used, which is also referred to as “Deep Soil Mixing” or “Deep Soil Mixing” (DSM).
- DSM Deep Soil Mixing
- the binder usually pure cement or cement-lime mixtures
- the binder is introduced into the soil with the aid of air. This method is used in particular for soils with high water content or at freezing temperatures.
- the binder is incorporated by mixing the soil with a suspension. One or more mixing tools are mechanically turned into the ground. When retracting or when extending the mixing tool, the binder is introduced into the soil. Subsequently, the soil-binder mixture hardens and forms a columnar element.
- the mixing tool has a rotatable outer tube and a rotatable inner tube, at the lower end of which a cutting blade is arranged.
- An upper mixing blade is attached to the lower end of the outer tube and a lower mixing blade is attached to the inner tube close to the lower end of the outer tube.
- the two tubes are rotatable relative to one another by means of a gear, wherein a fixed ratio between the rotational movement of the outer tube relative to the rotational movement of the inner tube is predetermined by the transmission.
- a supply line cement is introduced through a lower opening of the inner tube in the ground and mixed due to the rotational movement of the inner tube and outer tube to the ground.
- the tool has nozzles between the drill bit and the blades, through which water is injected at high pressure into the soil at an angle during drilling.
- a soil improvement method comprising a viable upper soil layer and an underlying soft layer having low bearing capacity.
- the soft layer vertical columns are prepared by mixing in binder (Deep Soil Mixing). Tamping columns are placed in the overlying load-bearing soil layer.
- JP 10212724 A From the JP 10212724 A is a tool with a drill pipe and a housing known to be screwed into the ground. As the drill string and housing are pulled, a high pressure binder is simultaneously injected from the ends of the blades radially outward into the soil. This results in an enlarged hardened outer layer. The incorporated binder partially flows into a core region and forms a core layer there.
- JP 59010610 A From the JP 59010610 A is a tool with a drill head with sheaths known to which nozzles are provided. In addition, expandable cutting edges are provided which can be moved in and out radially by axial movement of a sleeve.
- a drilling tool with a double-tube shaft assembly having outer and inner tubular shafts which are rotatable separately from one another is known.
- the outer tubular shaft is provided on its outer surface with upper stirring and kneading means, and with radially outwardly directed liquid outlets.
- the inner tubular shaft is provided with a drill bit, with bottom stirring and kneading means and with one or more downwardly directed liquid outlets.
- the injection technique is used, which is also known as a jet stream method.
- a well-adapted to the substrate conditions injection agent is pressed from wells under high pressures in the ground.
- the so-called high-pressure injection process which is also known under company names such as Soilcrete or Jet Grouting process, represents a further development of the injection process.
- a pipe is sunk under rinse aid. After reaching the final depth of suspension is pressed at the lower end of the tube located side nozzle suspension with high pressures and pulled the tube with slow rotation or pivotal movement. This creates a body by the soil is solved by the suspension jets and mixed.
- the present invention has the object to improve a method for producing columnar elements of the type mentioned in that it is also applicable to unfavorable soils or at greater depths.
- the object is further to suggest a corresponding device with which columnar elements can also be produced at great depths or in block layers or in clay soils.
- the advantage is that treatment of immiscible soils superimposed on miscible soils is made possible.
- deep deep soil stabilization deep soil mixing
- soil layers which, due to their nature or depth, are not suitable for deep soil deep-soil stabilization (deep soil mixing)
- a treatment by means of jet-jet technology can then be used.
- a first columnar soil improvement body is thus produced in the shallower soil regions below which a second columnar, semi-column or lamellar soil improvement body is produced by means of the nozzle steel tool.
- the design of the second floor improvement body can be designed as needed.
- the nozzle jet tool is continuously rotated about its axis of rotation.
- semi-columnar bodies can be created by pivoting the jet tool about the axis of rotation during drilling or pulling. Slats can be produced by partial introduction of suspension by means of the jet tool at different depths.
- the upper body is supported on the lower body which redirects incoming forces down to a supporting soil layer. Both bodies together form a soil element for soil stabilization.
- Another advantage of the method according to the invention is that hereby semi-columnar or columnar elements or lamellae can be produced to depths of more than 15 m.
- the mixing tool and the jet tool are preferably sunk to the first depth T1 together.
- the nozzle jet tool is taken up and guided with its linkage in the linkage for the mixing tool is.
- the drill bit of the nozzle jet tool emerges from the linkage of the mixing tool at the lower end.
- the mixing tool and the jet tool rotate about its common axis, wherein the rotational speeds are preferably controlled separately and in particular may be different.
- the sinking of the mixing tool is stopped.
- the nozzle jet tool is now sunk further into the ground, up to the intended final depth T2.
- the jet tool is provided in particular that the mixing tool continues to rotate.
- the mixing tool after a first process guide to rotate on the spot, that is, the axial position of the mixing tool remains unchanged.
- the mixing tool is pulled up again when sinking the nozzle jet tool.
- the mixing tool is pulled and lowered again several times, whereby a particularly good mixing of the upcoming soil is achieved in the first floor area.
- the nozzle jet of the jet tool After reaching the final depth T2 of the nozzle jet of the jet tool is activated.
- the nozzle jet tool is pulled upwards under pivoting motion, wherein water or a suspension emerges from one or more nozzles under high pressure and erodes the pending soil; simultaneously with the erosion of the soil cement suspension is supplied under pressure and mixed by the process-related turbulence in the immediate production area.
- the operating pressure of the jet stream medium is above 200 bar.
- the exit velocities of the jet stream medium are preferably more than 100 m / s.
- the erosion width of the jet in the ground can reach up to 2.5 m from the borehole.
- the liquid used for jet blasting is preferably a suspension of water with binder.
- a binder in particular mortar, cement, Utrafeinzemente, silicate gels or plastic solutions in question.
- the jet can be encased via a ring nozzle additionally compressed air.
- the dissolution of the grain structure by means of the high-energy nozzle jet begins at the lowest point, that is, at the second depth T2. Excess water-soil-cement mixture flows from the nozzle-blasted second floor area over the well annulus through the upper first floor area.
- a semi-column, columnar, or lamellar second floor improvement body is formed which is below the first floor area treated by Deep Soil Mixing and serves to improve the ground surface.
- the blending tool may, after a first possibility, remain at the depth-depth, in particular continuing to rotate on the spot. After the nozzle jet tool has reached the first depth T1 again, the mixing tool and the nozzle tool are then pulled together upward. However, the jet of the jet tool is deactivated or brings the suspension only at a reduced pressure. In a second possibility, as the jet tool is drawn from the end depth T2 to the intermediate depth T1, the mixing tool is also pulled upwards. This procedure has the advantage that in the jet-jet process upward returning material is mixed in the first floor area.
- the sinking and / or drawing of the mixing tool takes place with the introduction of a binder, with the curing of the binder, a columnar soil improvement body is formed.
- the binder introduced with the mixing tool is selected according to the soil conditions or the requirements of the produced columnar bottom body and can be introduced in the wet or dry process in the soil.
- Suitable binders for deep-reaching soil stabilization are the same binders mentioned in connection with jet blasting, in particular cement and / or lime, as well as ash, gypsum or mixtures of these Products.
- the binder for the deep-reaching soil stabilization of the upper first soil layer may in principle be a different binder than the binder for the jet jetting in the underlying second soil layer.
- the use of the same binder or the same binder suspension is preferred.
- a particularly efficient process control is achieved if the return material of the spray injected by the jet-blasting tool is used at least partially for introduction into the first bottom area.
- the upper first floor area is mixed again after completion of the jet of the second floor area by means of the mixing tool.
- the soil has a higher shear strength, a lower permeability and a lower ductility or higher rigidity than the unrepaired soil.
- the annular space formed between the nozzle jet linkage for the nozzle jet tool and the mixing rod for the mixing tool is flushed through with a liquid, at least during the nozzle jet process.
- This controlled rinsing process prevents the suspension from undesirably penetrating into the annular space between the two rods.
- the rinsing liquid used is preferably water.
- the process ends with the drawing of the mixing tool and jet jet tool from the ground.
- the pulling of the two tools as described above, done together or offset in time.
- an apparatus for producing floor elements comprising a mixing tool for mixing soil with a binder and a jet blasting tool for eroding and mixing soil with a suspension, wherein the blending tool and the jet blasting tool are arranged coaxially with each other, and wherein the blending tool and the jet blasting tool are axially movable independently of each other. It is understood that in addition to the coaxial arrangement of mixing tool and jet tool still one or more other mixing tools can be provided. These may, for example, be arranged laterally adjacent to the mixing tool integrated with jet-jet tool.
- the device advantageously permits soil stabilization down to great depths or the treatment of immiscible soils superimposed by miscible soils.
- the advantages of Deep Soil Mixing for shallower soil layers are combined with those of jet grouting for deeper soil layers in that two soil enhancement bodies can be created, with a lower jet-cuboid and an overlying deep-soil mixing cubature. In this case, it results in a favorable manner in particular that the lower floor body produced by means of jet-jet tools have a greater strength than the upper floor body produced by means of deep-reaching soil improvement.
- the nozzle jet tool and the mixing tool are independently driven to rotate.
- the mixing of the upper floor area by means of the mixing tool on the one hand and the cutting of the lower floor area by means of the jet jet tool on the other hand can be adapted individually to the ground conditions with respect to the rotational speed.
- this also applies to the axial movability of the mixing tool on the one hand and the nozzle jet tool on the other hand.
- the floor elements produced with the device each have a homogeneous and adapted to the requirements structure.
- the linkage of the jet tool is arranged within the linkage of the mixing tool.
- the linkage of the mixing tool has at least one tube or hollow body, in which at least a part of the nozzle jet tool or of the nozzle jet linkage is guided rotatably and axially displaceably.
- the inner diameter of the mixing rod is greater than the outer diameter of the nozzle beam linkage, so that the latter is axially movable in the former.
- sealing means are provided here.
- the sealing means may comprise one or more rotary seals, which are angeodnet in the annular space between an inner wall of the nozzle linkage and an outer wall of the mixing rod.
- the seals are preferably provided at the lower end of the mixing rod.
- rotary seal is meant that the seals allow a relative rotational movement of the nozzle beam linkage relative to the mixing linkage.
- the mixing tool can be driven in rotation by a rotary head about an axis of rotation.
- the jet tool is rotationally driven by a second rotary head.
- the rotary head of the mixing tool can be controlled and driven separately from the rotary head of the jet-blasting tool. In this way, feed and rotational speed of the tools can be adjusted as needed to the different soil layers or drilling depths.
- movements of the mixing tool are required which produce shear deformations in the soil.
- preferably knife-like, in particular against each other rotating paddles or wings can be used.
- the knives, paddles or wings are then filled depending on the floor with teeth, cutting or the like.
- a Adaptation to the relevant subsoil conditions is required.
- Single, double, triple or quad paddles can be used.
- the addition of the binder can be done during retraction, extension or during extension and retraction of the mixing tool.
- FIGS. 1 to 3 show a drill 2 with a device 11 according to the invention in a first embodiment.
- the drill 2 stands on a floor surface 3 and faces the viewer.
- a Switzerlandt 4 is fixed, which has vertically movable support means 5 for supporting a drill pipe 6, 7.
- the drill string comprises a mixing rod 6 for a mixing tool 8 and a nozzle jet linkage 7 for a jet tool 9.
- the mixing tool 8 is arranged at the lower end of the mixing rod 6 and has mixing paddles 17, 18 and boring helixes not further described here.
- the nozzle jet tool 9 comprises one or more outlet nozzles 10, 10 'can be spread over the water or a suspension through the nozzle beam linkage 7, and a drill bit 12.
- the mixing linkage 6 is guided through a through-boring head 23, by means of which the mixing rod 6 about an axis of rotation A. is rotationally driven.
- the mixing tool 8 and the nozzle jet tool 9 are parts of the device 11 according to the invention for the production of soil elements for ground improvement in the ground.
- the nozzle beam linkage 7 is connected via corresponding brackets or carriage with the broker 4 and movable relative to this.
- a rotary drive 14 and a flushing head 22 are provided, which can both be moved vertically on the broker 4.
- the rotary drive 14 is used for rotatable, respectively pivotable driving of the jet-beam linkage 7, wherein it is provided that the jet-jet linkage 7 can be driven independently of the mixing linkage 6.
- the flushing head 22, also referred to as swivel is used to connect lines for introducing suspension, water or air, the lines are not shown.
- the rotary head 23 for driving the mixing rod 6 is also connected via a corresponding bracket with the broker 4 and can be moved vertically relative to this.
- the rotary head 23 with the mixing rod 6 or the rotary head 14 with the nozzle beam linkage 7 are lowered.
- the rotary head 23 with mixing linkage 6 on the one hand and the rotary drive 14 with the nozzle jet linkage 7 on the other hand can be moved vertically independently of each other, which will be discussed in more detail below.
- FIG. 2 showing the lower end of the device 11 according to the invention, further details can be seen.
- the nozzle jet linkage 7 is arranged within the mixing linkage 6, in coaxial alignment with the axis of rotation A.
- sealing means 16 are provided which prevent suspension or a soil-cement Mixture in this annulus 15 penetrates.
- the sealing means 16 comprise three rotary seals arranged one above the other, which enable relative rotation of the jet-jet linkage 7 relative to the mixing linkage 6.
- other suitable sealing means may be provided.
- From the mixing tool 8 more mixing paddles 17, 18 are also recognizable, by means of which the pending soil is mixed during drilling.
- the mixing paddles 17, 18 have a plurality of nozzles 19, 20, can be introduced via the binder or a suspension in the soil.
- nozzle jet tool 9 can be seen that a plurality of outlet nozzles 10, 10 'distributed over the circumference. At the end of the nozzle jet tool 9 is the drill bit 12.
- FIG. 3 further details of the drill are shown.
- the rinsing head 22, which is connected to the nozzle jet linkage 7, is shown schematically. When jetting operating pressures for the jet stream of more than 200 bar, in particular of about 400 bar are generated.
- Below the flushing head 22 is the turret 14 for driving the nozzle beam linkage 7 recognizable.
- Below the rotary head 14 for the nozzle jet linkage 7 is the rotary head 23 for driving the mixing rod 6.
- the rotary head 23 is designed as a through-drive rotary drive, that is, the mixing rod 6 is passed through the rotary drive 23.
- sealing means 24, 25 are arranged between the upper section of the mixing rod 6 and the nozzle jet linkage 7 guided therein, which prevent dirt from penetrating into the annular space 15.
- FIG. 4 shows a drill 2 with a device 11 according to the invention in a second embodiment.
- the drill corresponds largely in terms of its structure and its operation in the FIG. 1 shown drill.
- two further mixing tools 8 'and 8 are provided in addition to the apparatus 11 according to the invention with a mixing tool 8 and a jet nozzle 9.
- a total of 3 mixing tools 8, 8', 8" with corresponding mixing rods 6, 6 ', 6 “and rotary actuators 23, 23', 23” provided.
- the middle mixing tool 8 together with the nozzle jet tool 9 coaxially guided therein forms the device 11 according to the invention.
- the three mixing tools 8, 8 ', 8 are moved via the respective drill rods 6, 6', 6" and the associated rotary drives 23, 23 '. 23 “together lowered to scrape the wellbore, thereby downplugging the jet-blast linkage 7 together with the mixing linkage 6.
- the advantage of the present drilling rig 2 with three mixing tools 8, 8 ', 8" is that a comparatively larger wellbore for soil stabilization can be sunk to produce a bottom body 29 with the same width as that of the bottom body 30.
- FIG. 5a shows the drill 2 according to FIG. 4 or the inventive method in the starting position.
- the bottom layers 26, 27, 28 below the railing top edge 3 have a different texture.
- the condition is such that the top bottom layer 26 with the addition of binder, for example cement or concrete, by means of mechanical mixing to a bottom body can be processed.
- Underneath is a second bottom layer 27, which can no longer be processed with the mixing process (Deep Soil Mixing).
- the lowermost soil layer 28 represents a load-bearing or water-impermeable bottom, which is to serve as a lower edge for the floor element to be created.
- FIG. 5b shows the method after the first working step has been carried out, namely after the first bottom body 29 has been produced.
- This first method step is accomplished by the three mixing tools 8, 8 ', 8 "next to one another being rotated about their respective axes A, A', A "be sunk. With the aid of the rotating mixing paddles 17, 17 ', 17 “, 18, 18', 18", the topmost bottom layer 26 is thoroughly mixed with the addition of a binder, in particular a cement or a binder suspension. This produces the first columnar bottom body 29.
- the nozzle jet linkage 7 located in the middle mixing linkage 6 is not activated during the lowering of the mixing tools 8, 8 ', 8 ", but is lowered together with the middle mixing linkage 8. Deep Soil Mixing) provided depth T1 is reached, the Abteufen the mixing tools 8, 8 ', 8 "stopped. This position is in FIG. 5b shown.
- the nozzle jet tool 9 is now further sunk into the ground, through the second bottom layer 27, to the intended end depth T2, which is defined herein by the boundary of the adjacent layers 27, 28.
- FIG. 5c the state is shown after this second step.
- the nozzle jet linkage 7 has been sunk down from the middle mixing linkage 6 into the lowest soil layer 28.
- the jet jet linkage 7 is driven separately by means of the rotary head 14, that is to say independently of the drive of the mixing tools 8, 8 ', 8 "
- the mixing tools 8, 8 ', 8 rotate preferably in place, that is, their vertical position remains unchanged.
- a second bottom body 30 is produced by means of the jet-jet tool 9.
- This third process step is in FIG. 5d shown.
- the production of the second bottom body 30, which may also be referred to as a jet body, is accomplished by the jet-jet tool 9 being pulled upwards while being rotated, or by making pivoting movements, with water or one or more nozzles 10, 10 ' Suspension escapes under high pressure and erodes the pending soil. Simultaneously with the erosion or cutting of the soil cement suspension is supplied under pressure and mixed by the process-related turbulence.
- the nozzle jet 31 as well as the jet body 30 already produced can be seen schematically. The process is carried out from the bottom up through the second bottom layer 27, from a depth slightly below the depth T2 lying down to the depth T1.
- the mixing tools 8, 8 ', 8 may, after a first possibility, remain at the subsided depth T1 and continue to rotate there in. In an alternative process, the mixing tools 8, 8', 8" may also be used during the jet-blasting process be pulled up. After the third process step for producing the jet body is completed, that is, after the jet tool 9 has been pulled back to the depth T1, the jet tool 9 is deactivated.
- FIG. 5e shows the state after the complete pulling of the mixing rod 6 and the nozzle beam linkage 7.
- FIG. 6 the tools 7, 9 are shown schematically during the third process step, shortly before the completion of the jet body 30.
- the mixing rods 8, 8 ', 8 "with the mixing paddles 17, 17', 17", 18 attached thereto are shown Furthermore, the nozzle jet linkage 7 coaxially guided in the middle mixing linkage 8 can be seen, and the nozzle jet 31, 31 'shown schematically emerges from the jet jet tool 9 on one or two sides Boden emotions 30 and the overlying by means of the mixing process (Deep Soil Mixing) produced upper bottom body 29 recognizable.
- the mixing process Deep Soil Mixing
- the device according to the invention or the method according to the invention has the advantage that a treatment of immiscible soils, which are superimposed by miscible soils, is made possible.
- a first bottom body 29 is produced by means of deep soil stabilization (deep soil mixing).
- a second soil-improving body 30 can be produced, which can be designed in the form of a semi-column, column or with one or more lamellae.
- the upper body 29 is supported on the lower body 30, which is supported on a load-bearing bottom layer 28. Both bodies 29, 30 together form a bottom element 32 for soil stabilization.
- the device according to the invention or the method according to the invention can be advantageously smaller devices to achieve greater depths use. Overall, the integration of Deep Soil Mixing and the jet blast process saves time and money.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Bodenelementen zur Baugrundverbesserung. Für eine solche Baugrundverbesserung kommt die sogenannte "Tiefe Bodenstabilisierung" zum Einsatz, die auch als "Tiefe Bodenvermörtelung" oder "Deep Soil Mixing" (DSM) bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem der anstehende Boden mit einem Bindemittel bzw. einer Suspension vermischt wird. Auf diese Weise werden säulenartige Gründungskörper erzeugt, die in der Lage sind, unter anderem Gebäudelasten, Lasten aus Aufschüttungen oder Dämmen in den tieferen, tragfähigen Untergrund zu übertragen.
- Nach der Art der Einbringung des Bindemittels wird die nasse oder trockene Methode zur Tiefen Bodenstabilisierung unterschieden. Beim Trockenmischverfahren wird das Bindemittel, üblicherweise reiner Zement oder Zement-Kalk-Gemische, mit Hilfe von Luft in den Boden eingebracht. Dieses Verfahren kommt insbesondere bei Böden mit hohem Wassergehalt oder bei Frosttemperaturen zum Einsatz. Beim Nassmischverfahren wird das Bindemittel durch das Vermischen des Bodens mit einer Suspension eingebracht. Es werden ein oder mehrere Mischwerkzeuge mechanisch in den Boden gedreht. Beim Einfahren bzw. beim Ausfahren des Mischwerkzeugs wird das Bindemittel in den Boden eingebracht. Anschließend härtet das Boden-Bindemittel-Gemisch aus und bildet ein säulenartiges Element.
- Aus der
DE 103 27 470 B3 ist eine Vorrichtung mit drei Einzelrührwerkzeugen bekannt. Zum Auflockern des Bodens unterhalb der Bohranfänger wird der Boden mit Düsenstrahlen aus einem Düsenhalter bearbeitet. Der Düsenhalter ist unterhalb der Einzelrührwerkzeuge so angeordnet, dass die Schneiddüsen mit den Schneidstrahlen die Bereiche unterhalb der Bohranfänger bearbeiten. Der höhenmäßige Abstand zu den Lösewerkzeugen der Bohranfänger wird so gewählt, dass die Zähne der Bohranfänger nicht von den Schneidstrahlen beschädigt werden. Der Düsenhalter ist so an der Vorrichtung befestigt, dass er beim Abteufen der Vorrichtung den Bohranfängern voreilt. Der der vertikale Abstand des Düsenhalters zur gesamten Vorrichtung ist während des Abteufvorgangs konstant oder er kann innerhalb gewisser konstruktiver Grenzen vergrößert oder verkleinert werden. - Aus der
JP 59015118 A - Aus der
JP 08013471 A - Aus der
DE 103 33 613 A1 ist ein Verfahren zur Bodenverbesserung eines Bodens bekannt, der eine tragfähige obere Bodenschicht und eine darunterliegende Weichschicht mit geringer Tragfähigkeit aufweist. In die Weichschicht werden vertikale Säulen unter Einmischen von Bindemittel hergestellt (Deep Soil Mixing). In der darüber liegenden tragfähigen Bodenschicht werden Stopfsäulen eingebracht. - Aus der
JP 10212724 A - Aus der
JP 59010610 A - Aus der
EP 1 045 073 A1 ist ein Bohrwerkzeug bekannt, an dessen unteren Schneiden nach axial unten gerichtete Düsen zum Einbringen von Fluid vorgesehen sind. - Aus der
EP 0 436 954 B1 ist ein Bohrwerkzeug mit einer Doppelrohr-Schaftanordnung mit einem äußeren und einem inneren Rohrschaft bekannt, die getrennt voneinander drehbar sind. Der äußere Rohrschaft ist an seiner Außenfläche mit oberen Rühr- und Knetmitteln versehen, sowie mit nach radial außen gerichteten Flüssigkeitsauslässen. Der innere Rohrschaft ist mit einer Bohrspitze, mit unteren Rühr- und Knetmitteln sowie mit einem oder mehreren nach unten gerichteten Flüssigkeitsauslässen versehen. - Mit den bekannten Verfahren zur Tiefen Bodenstabilisierung ist die Bearbeitungstiefe begrenzt. Für größere Tiefen von mehr als 15 m bis 20 m sind sehr große Geräte erforderlich. Außerdem ist ein Durchmischen des Bodens bei Blocklagen oder Ton nicht möglich.
- Zur Verfestigung des Untergrundes, beipielsweise bei Unterfangungen, oder zur Abdichtung, beispielsweise unter Staudämmen oder von Baugrubensohlen, kommt die Injektionstechnik zur Anwendung, die auch als Düsenstrahlverfahren bekannt ist. Hierfür werden von Bohrlöchern aus ein auf die Untergrundverhältnisse abgestimmtes Injektionsmittel unter hohen Drücken in den Untergrund eingepresst. Das sogenannte Hochdruckinjektionsverfahren, das auch unter Firmenbezeichnungen wie Soilcrete- oder Jet-Grouting-Verfahren bekannt ist, stellt eine Weiterentwicklung des Injektionsverfahrens dar. Hierfür wird ein Rohr unter Spülhilfe abgeteuft. Nach Erreichen der Endteufe wird durch am unteren Ende des Rohres befindliche seitliche Düsen Suspension mit hohen Drücken gepresst und das Rohr mit langsamer Rotation oder Schwenkbewegung gezogen. Dabei entsteht ein Körper, indem der Boden durch die Suspensionsstrahlen gelöst und vermischt ist.
- Aus der
DE 199 60 023 A1 ist ein solches Verfahren zur Bodenverbesserung durch Injektionen von Bindemittelsuspension nach einem Flächenraster bekannt. - Aus der
DE 198 49 786 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Bodenkörpern im Baugrund bekannt, bei dem die Bodenerosionsarbeiten der Düsenschneidstrahlen in einem permanent erzeugten Luftkissen ausgeführt werden. - Der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von säulenartigen Elementen der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass es auch bei ungünstigen Böden bzw. in größeren Tiefen anwendbar ist. Die Aufgabe besteht weiter darin, eine entsprechende Vorrichtung vorzugschlagen, mit der sich säulenartige Elemente auch in großen Tiefen bzw. bei Blocklagen oder in Tonböden herstellen lassen.
- Die Lösung besteht in einem Verfahren zur Herstellung von säulenförmigen Elementen im Boden mit den Verfahrensschritten:
- Abteufen eines Mischwerkzeugs unter Drehbewegung bis zu einer ersten Tiefe (T1), wobei der Boden in einem ersten Bodenbereich durchmischt wird; Abteufen eines Düsenstrahlwerkzeugs bis zu einer zweiten Tiefe (T2) unterhalb des durchmischten ersten Bodenbereichs; Ziehen des Düsenstrahlwerkzeugs von der zweiten Tiefe (T2) bis zur ersten Tiefe (T1) unter Dreh- oder Schwenkbewegung bei aktiviertem Düsenstrahl, wobei der Boden in einem zweiten Bodenbereich, der unterhalb des durchmischten ersten Bodenbereichs liegt, erodiert und eine Suspension in diesen zweiten Bodenbereich eingebracht wird, wobei das Düsenstrahlwerkzeug unabhängig von dem Mischwerkzeug axial bewegt wird; und Ziehen des Mischwerkzeugs und des Düsenstrahlwerkzeugs aus dem Boden.
- Der Vorteil liegt darin, dass eine Behandlung von nicht mischbaren Böden, die von mischbaren Böden überlagert sind, ermöglicht wird. Mit dem Mischwerkzeug kann eine Tiefreichende Bodenstabilisierung (Deep Soil Mixing) in den flacher gelegenen Bodenschichten durchgeführt werden. In Bodenschichten, die aufgrund ihrer Beschaffenheit oder Tiefe für eine Tiefreichende Bodenstabilisierung (Deep Soil Mixing) nicht geeignet sind, kann dann eine Behandlung mittels Düsenstrahltechnik zum Einsatz kommen. Mittels der Tiefreichenden Bodenstabilisierung wird somit in den flacheren Bodenbereichen ein erster säulenartiger Bodenverbesserungskörper erzeugt, unterhalb dem mittels des Düsenstahlwerkzeugs ein zweiter säulen-, halbsäulen- oder lamellenartiger Bodenverbesserungskörper erzeugt wird. Die Ausgestaltung des zweiten Bodenverbesserungskörpers kann dabei, je nach Bedarf, gestaltet werden. Zur Erzeugung einer Säule beziehungsweise eines Zylinders wird das Düsenstrahlwerkzeug fortlaufend um seine Drehachse gedreht. Entsprechend können halbsäulenartige Körper durch Hin- und Herschwenken des Düsenstrahlwerkzeugs um die Drehachse während des Abteufens beziehungsweise während des Ziehens erzeugt werden. Lamellen lassen sich durch partielles Einbringen von Suspension mittels des Düsenstrahlwerkzeugs in verschiedenen Tiefen herstellen. Der obere Körper ist auf dem unteren Körper abgestützt, welcher eingeleitete Kräfte nach unten auf eine tragende Bodenschicht weiterleitet. Beide Körper bilden zusammen ein Bodenelement zur Bodenstabilisierung. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass sich hiermit halbsäulen- oder säulenförmige Elemente oder Lamellen bis in große Tiefen von mehr als 15 m herstellen lassen.
- Bei der Durchführung des Verfahrens werden das Mischwerkzeug und das Düsenstrahlwerkzeug bis zur ersten Tiefe T1 vorzugsweise gemeinsam abgeteuft. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Düsenstrahlwerkzeug mit seinem Gestänge in dem Gestänge für das Mischwerkzeug aufgenommen und geführt ist. Dabei tritt die Bohrkrone des Düsenstrahlwerkzeugs am unteren Ende aus dem Gestänge des Mischwerkzeugs hervor. Beim Abteufen drehen sich das Mischwerkzeug und das Düsenstrahlwerkzeug um ihre gemeinsame Achse, wobei die Drehgeschwindigkeiten vorzugsweise separat gesteuert werden und insbesondere unterschiedlich sein können.
- Ist die für die Tiefreichende Bodenstabilisierung vorgesehene Tiefe T1 erreicht, wird das Abteufen des Mischwerkzeugs gestoppt. Das Düsenstrahlwerkzeug wird nun weiter in den Boden abgeteuft, und zwar bis zur vorgesehenen Endtiefe T2. Während des Abteufvorgangs des Düsenstrahlwerkzeugs ist insbesondere vorgesehen, dass das Mischwerkzeug weiter dreht. Dabei kann das Mischwerkzeug nach einer ersten Verfahrensführung auf der Stelle drehen, das heißt die axiale Position des Mischwerkzeugs bleibt unverändert. Nach einer zweiten Möglichkeit wird das Mischwerkzeug beim Abteufen des Düsenstrahlwerkzeugs wieder nach oben gezogen. Je nach Bodenbeschaffenheit ist es auch denkbar, dass das Mischwerkzeug mehrmals gezogen und wieder abgeteuft wird, womit eine besonders gute Durchmischung des anstehenden Bodens in den ersten Bodenbereich erreicht wird.
- Nach Erreichen der Endtiefe T2 wird der Düsenstrahl des Düsenstrahlwerkzeugs aktiviert. Das Düsenstrahlwerkzeug wird unter Drehung bzw. unter Schwenkbewegung nach oben gezogen, wobei aus einer oder mehreren Düsen Wasser bzw. eine Suspension unter hohem Druck austritt und den anstehenden Boden erodiert; gleichzeitig mit dem Erodieren des Bodens wird Zementsuspension unter Druck zugeführt und durch die verfahrensbedingten Turbulenzen im unmittelbaren Produktionsbereich eingemischt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Betriebsdruck des Düsenstrahlmediums bei über 200 bar liegt. Die Austrittsgeschwindigkeiten des Düsenstrahlmedium betragen vorzugsweise mehr als 100 m/s. Die Erosionsweite des Düsenstrahls im Baugrund reicht je nach Boden, Verfahrensart und verwendeter Flüssigkeit bis zu 2,5 m vom Bohrloch.
- Die Flüssigkeit, welche zum Düsenstrahlen verwendet wird, ist vorzugsweise eine Suspension aus Wasser mit Bindemittel. Als Bindemittel kommen insbesondere Mörtel, Zement, Utrafeinzemente, Silikatgele oder auch Kunststofflösungen in Frage. Zur Erhöhung der Erosionsleistung und damit der Reichweite kann der Düsenstrahl über eine Ringdüse zusätzlich mit Druckluft ummantelt werden. Das Auflösen des Korngefüges mittels des hochenergiereichen Düsenstrahls beginnt an der tiefsten Stelle, das heißt in der zweiten Tiefe T2. Überschüssiges Wasser-Boden-Zementgemisch fließt vom düsengestrahlten zweiten Bodenbereich über den Bohrlochringraum durch den oberen ersten Bodenbereich zutage. Mit dem Aushärten des Bindemittels entsteht ein halbsäulen-, säulen- oder lamellenförmiger zweiter Bodenverbesserungskörper, welcher unterhalb des mittels Deep Soil Mixing behandelten ersten Bodenbereichs liegt und hier zur Baugrundverbesserung dient.
- Während des Düsenstrahlvorgangs, das heißt beim Ziehen des Düsenstrahlwerkzeugs von der zweiten Tiefe T2 bis zur ersten Tiefe T1 bei aktiviertem Düsenstrahl, kann das Mischwerkzeug nach einer ersten Möglichkeit in der abgeteuften Tiefe verbleiben, wobei es insbesondere weiter auf der Stelle dreht. Nachdem das Düsenstrahlwerkzeug die erste Tiefe T1 wieder erreicht hat, werden das Mischwerkzeug und das Düsenwerkzeug dann gemeinsam nach oben gezogen. Dabei ist der Düsenstrahl des Düsenstrahlwerkzeugs jedoch deaktiviert oder bringt die Suspension nur bei einem reduzierten Druck aus. Nach einer zweiten Möglichkeit wird das Mischwerkzeug, während das Düsenstrahlwerkzeug von der Endtiefe T2 zur Zwischentiefe T1 gezogen wird, ebenfalls nach oben gezogen. Diese Verfahrensführung hat den Vorteil, dass beim Düsenstrahlvorgang nach oben rücklaufendes Material, im ersten Bodenbereich durchmischt wird.
- Es ist nach bevorzugten Verfahrensführung vorgesehen, dass das Abteufen und/oder das Ziehen des Mischwerkzeugs unter Einbringen eines Bindemittels erfolgt, wobei mit dem Aushärten des Bindemittels ein säulenförmiger Bodenverbesserungskörper entsteht. Das mit dem Mischwerkzeug eingebrachte Bindemittel wird in Abhängigkeit von den Bodenverhältnissen beziehungsweise den Anforderungen an den herzustellenden säulenförmigen Bodenkörper entsprechend ausgewählt und kann im Nass- oder Trockenverfahren in den Boden eingebracht werden. Als Bindemittel kommen für die Tiefreichende Bodenstabilisierung dieselben im Zusammenhang mit dem Düsenstrahlen genannten Bindemittel in Frage, insbesondere Zement und/oder Kalk, daneben auch Asche, Gips oder Mischungen aus den genannten Produkten. Dabei kann das Bindemittel für die Tiefreichende Bodenstabilisierung der oberen ersten Bodenschicht grundsätzlich ein anderes Bindemittel sein, als das Bindemittel für das Düsenstrahlen in der darunterliegenden zweiten Bodenschicht. Aus verfahrensökonomischen Gründen ist jedoch die Verwendung desselben Bindemittels bzw. derselben Bindemittelsuspension bevorzugt. Eine besonders effiziente Verfahrensführung wird erreicht, wenn das Rücklaufmaterial der vom Düsenstrahlwerkzeug eingedüsten Suspension zumindest teilweise zum Einbringen in den ersten Bodenbereich verwendet wird.
- Nach dem Einbringen des Bindemittels im Rahmen der Tiefreichenden Bodenstabilisierung beziehungsweise der beim Düsenstrahlen durch Rücklauf in die oberen ersten Bodenschichten eindringenden Suspension ist es günstig, wenn der obere erste Bodenbereich nach Beendigung des Düsenstrahlens des zweiten Bodenbereichs mittels des Mischwerkzeugs nochmals durchmischt wird. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders homogenes Gefüge des säulenförmigen oberen Bodenverbesserungskörpers. Nach dem Aushärten des Bindemittels weist der Boden eine höhere Scherfestigkeit, eine geringere Durchlässigkeit und eine geringere Verformbarkeit bzw. höhere Steifigkeit als der unverbesserte Boden auf.
- Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der zwischen dem Düsenstrahlgestänge für das Düsenstrahlwerkzeug und dem Mischgestänge für das Mischwerkzeug gebildete Ringraum zumindest während des Düsenstrahlvorgangs mit einer Flüssigkeit durchspült. Mit diesem kontrollierten Spülvorgang wird verhindert, dass Suspension ungewünscht in den Ringraum zwischen den beiden Gestängen eindringt. Als Spülflüssigkeit wird vorzugsweise Wasser verwendet.
- Das Verfahren endet mit dem Ziehen des Mischwerkzeugs und des Düsenstrahlwerkzeugs aus dem Boden beziehungsweise dem Baugrund. Dabei kann das Ziehen der beiden Werkzeuge, wie oben beschrieben, gemeinsam oder zeitlich versetzt erfolgen.
- Die obengenannte Aufgabe wird weiter durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Bodenelementen gelöst, umfassend ein Mischwerkzeug zum Durchmischen von Boden mit einem Bindemittel und ein Düsenstrahlwerkzeug zum Erodieren und Durchmischen von Boden mit einer Suspension, wobei das Mischwerkzeug und das Düsenstrahlwerkzeug koaxial zueinander angeordnet sind, und wobei das Mischwerkzeug und das Düsenstrahlwerkzeug unabhängig voneinenander axial bewegbar sind. Dabei versteht es sich, dass zusätzlich zu der koaxialen Anordnung aus Mischwerkzeug und Düsenstrahlwerkzeug noch ein oder mehrere weitere Mischwerkzeuge vorgesehen sein können. Diese können beispielsweise seitlich benachbart zu dem mit Düsenstrahlwerkzeug integrierten Mischwerkzeug angeordnet sein.
- Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Mischwerkzeug und einem integrierten, unabhängig vom Mischwerkzeug verfahrbaren Düsenstrahlwerkzeug, ergeben sich die im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren obengenannten Vorteile, auf die insofern Bezug genommen wird. Im Ergebnis ermögicht die Vorrichtung in vorteilhafter Weise eine Bodenstabilisierung bis in große Tiefen beziehungsweise die Behandlung von nicht mischbaren Böden, die von mischbaren Böden überlagert sind. Es werden die Vorteile der Tiefreichenden Bodenstabilisierung (Deep Soil Mixing) für flachere Bodenschichten mit denen der Düsenstrahltechnik für tieferliegende Bodenschichten insofern kombiniert, als untereinander zwei Bodenverbesserungskörper erzeugt werden können, und zwar mit einer unteren Düsenstrahlkubatur und einer darüberliegenden Deep-Soil-Mixing-Kubatur. Dabei ergibt es sich in günstiger Weise insbesondere, dass die mittels Düsenstrahlwerkzeugen hergestellten unteren Bodenkörper eine größere Festigkeit aufweisen, als die mittels Tiefreichender Bodenverbesserung hergestellten oberen Bodenkörper.
- Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind das Düsenstrahlwerkzeug und das Mischwerkzeug unabhängig voneinander drehend antreibbar. Auf diese Weise kann das Durchmischen der oberen Bodenbereichs mittels des Mischwerkzeugs einerseits und das Aufschneiden des unteren Bodenbereichs mittels des Düsenstrahlwerkzeugs andererseits an die Bodenverhältnisse hinsichtlich der Drehgeschwindigkeit individuell angepasst werden. Dies gilt im übrigen auch für die axiale Verfahrbarkeit des Mischwerkzeugs einerseits und des Düsenstrahlwerkzeugs andererseits. Insgesamt haben die mit der Vorrichtung hergestellten Bodenelemente jeweils eine homogene und an die Erfordernisse angepasste Struktur.
- In Konkretisierung ist vorgesehen, dass das Gestänge des Düsenstrahlwerkzeugs innerhalb des Gestänges des Mischwerkzeugs angeordnet ist. Vorzugsweise weist das Gestänge des Mischwerkzeugs zumindest ein Rohr oder Hohlkörper auf, in dem zumindest ein Teil des Düsenstrahlwerkzeugs bzw. des Düsenstrahlgestänges drehbar und axial verschiebbar geführt ist. Dabei ist der Innendurchmesser des Mischgestänges größer als der Außendurchmesser des Düsenstrahlgestänges, so dass letzteres in ersterem axial bewegbar ist.
- Um zu verhindern, dass in den zwischen dem Düsenstrahlgestänge und dem Mischgestänge gebildeten Ringraum beim Düsenstrahlen Suspension eindringt, sind hier vorzugsweise Dichtmittel vorgesehen. Die Dichtmittel können eine oder mehrere Drehdichtungen aufweisen, welche in dem Ringraum zwischen einer Innenwand des Düsgestänges und einer Außenwand des Mischgestänges angeodnet sind. Dabei sind die Dichtungen vorzugsweise am unteren Ende des Mischgestänges vorgesehen. Mit Drehdichtung ist gemeint, dass die Dichtungen eine relative Drehbewegung des Düsenstrahlgestänges gegenüber dem Mischgestänge erlauben. Alternativ zur Verwendung einer Dichtung kann auch eine Spülvorrichtung vorgesehen sein, mit der ein kontrollierter Spülvorgang des Ringraums erfolgt. Auf diese Weise wird ebenso ein Eindringen von Suspension in den Ringraum verhindert.
- Das Mischwerkzeug ist von einem Drehkopf um eine Drehachse drehend antreibbar. Das Düsenstrahlwerkzeug ist von einem zweiten Drehkopf drehend antreibbar. Vorzugsweise ist der Drehkopf des Mischwerkzeugs separat vom Drehkopf des Düsenstrahlwerkzeugs ansteuerbar und antreibbar. Auf diese Weise können Vorschub und Drehgeschwindigkeit der Werkzeuge nach Bedarf an die unterschiedlichen Bodenschichten bzw. Bohrtiefen angepasst werden.
- Um den anstehenden Boden und dessen Struktur aufzulösen und den gelösten Boden mit dem einzubringenden Bindemittel möglichst homogen zu durchmischen, sind Bewegungeungen des Mischwerkzeugs erforderlich, die Scherverformungen im Boden erzeugen. Hierfür können vorzugsweise messerartige, insbesondere gegeneinander drehenden Paddel oder Flügel verwendet werden. Die Messer, Paddel oder Flügel sind dann je nach Boden mit Zähnen, Schneiden oder ähnlichem besetzt. Eine Anpassung an die jweiligen Baugrundverhältnisse ist erforderlich. Es können Einfach-, Doppel-, Dreifach- oder Vierfachpaddel verwendet werden. Die Zugabe des Bindemittels kann beim Einfahren, beim Ausfahren oder beim Ein- und Ausfahren des Mischwerkzeugs erfolgen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:
- Figur 1
- ein Bohrgerät in Arbeitsstellung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Bodenelementen zur Baugrundverbesserung in einer ersten Ausführungsform mit einem Mischwerkzeug und einem Düsenstrahlwerkzeug in Frontalansicht;
- Figur 2
- einen unteren Abschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß
Figur 1 als Detail im Längsschnitt; - Figur 3
- einen oberen Abschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß
Figur 1 mit den Drehköpfen für das Mischwerkzeug und das Düsenstrahlwerkzeug als Detail im Längsschnitt; - Figur 4
- ein Bohrgerät in Arbeitsstellung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Bodenelementen zur Baugrundverbesserung in einer zweiten Ausführungsform mit mehreren Mischwerkzeugen und einem Düsenstrahlwerkzeug in Frontalansicht;
- Figur 5
- ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Bodenelementen zur Baugrundverbesserung, das mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß
Figur 4 durchgeführt wird, schematisch im Längsschnitt durch die Bohrung- a) vor dem Abteufen der Vorrichtung;
- b) nach dem Abteufen der Vorrichtung bis zu einer Tiefe T1;
- c) nach dem Abteufen des Düsenstrahlwerkzeugs bis zu einer zweiten Tiefe T2;
- d) während des Ziehens des Düsenstrahlwerkzeugs bei aktiviertem Düsenstrahl und unter gleichzeitigen Ausbringen einer Suspension;
- e) nach dem Ziehen des Düsenstrahlwerkzeugs und des Mischwerkzeugs; und
- Figur 6
- die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß den
Figuren 4 bzw. 5 während der Durchführung des Düsenstrahlverfahrens, kurz vor der Fertigstellung des Düsenstrahlkörpers als Detail. - Die
Figuren 1 bis 3 , welche im folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein Bohrgerät 2 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 in einer ersten Ausführungsform. Das Bohrgerät 2 steht auf einer Bodenoberfläche 3 und ist dem Betrachter zugewandt. An dem Bohrgerät 2 ist ein Mäklermast 4 befestigt, welcher vertikal verfahrbare Tragvorrichtungen 5 zum Tragen eines Bohrgestänges 6, 7 aufweist. Das Bohrgestänge umfasst ein Mischgestänge 6 für ein Mischwerkzeug 8 sowie ein Düsenstrahlgestänge 7 für ein Düsenstrahlwerkzeug 9. Das Mischwerkzeug 8 ist am unteren Ende der Mischgestänges 6 angeordnet und weist hier nicht näher beschriebene Mischpaddel 17, 18 und Bohrwendeln auf. Das Düsenstrahlwerkzeug 9 umfasst ein oder mehrere Austrittsdüsen 10, 10' über die Wasser beziehungsweise eine Suspension durch das Düsenstrahlgestänge 7 ausgebracht werden kann, sowie eine Bohrkrone 12. Das Mischgestänge 6 ist durch einen Durchsteckdrehkopf 23 geführt, mittels dem das Mischgestänge 6 um eine Drehachse A drehend antreibbar ist. Das Mischwerkzeug 8 und das Düsenstrahlwerkzeug 9 sind Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 zur Herstellung von Bodenelementen zur Baugrundverbesserung im Boden. - Das Düsenstrahlgestänge 7 ist über entsprechende Halterungen bzw. Schlitten mit dem Mäkler 4 verbunden und gegenüber diesem verfahrbar. Am oberen Ende des Düsenstrahlgestänges sind ein Drehantrieb 14 und ein Spülkopf 22 vorgesehen, welche sich beide vertikal am Mäkler 4 verfahren lassen. Der Drehantrieb 14 dient zum drehbaren, respektive schwenkbaren Antreiben des Düsenstrahlgestänges 7, wobei vorgesehen ist, dass das Düsenstrahlgestänge 7 unabhängig von dem Mischgestänge 6 angetrieben werden kann. Der Spülkopf 22, der auch als Swivel bezeichnet wird, dient zum Anschließen von Leitungen zum Einleiten von Suspension, Wasser beziehungsweise Luft, wobei die Leitungen nicht dargestellt sind. Der Drehkopf 23 zum Antreiben des Mischgestänges 6 ist ebenfalls über eine entsprechende Halterung mit dem Mäkler 4 verbunden und kann gegenüber diesem vertikal verschoben werden. Zum Abteufen eines Bohrlochs in einen Baugrund werden der Drehkopf 23 mit dem Mischgestänge 6 beziehungsweise der Drehkopf 14 mit dem Düsenstrahlgestänge 7 abgesenkt. Dabei kann der Drehkopf 23 mit Mischgestänge 6 einerseits und der Drehantrieb 14 mit dem Düsenstrahlgestänge 7 andererseits unabhängig voneinander vertikal verfahren werden, worauf weiter unten noch näher einzugehen sein wird.
- In
Figur 2 , die das untere Ende der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 zeigt, sind weitere Details erkennbar. Das Düsenstrahlgestänge 7 ist innerhalb des Mischgestänges 6 angeordnet, und zwar in koaxialer Ausrichtung zur Drehachse A. Am unteren Ende des zwischen dem Mischgestänge 6 und dem Düsenstrahlgestänge 7 gebildeten Ringraums 15 sind Dichtmittel 16 vorgesehen, die verhindern, dass Suspension oder ein Boden-Zement-Gemisch in diesem Ringraum 15 eindringt. Die Dichtmittel 16 umfassen vorliegend drei übereinander angeordnete Drehdichtungen, welche ein relatives Drehen des Düsenstrahlgestänges 7 gegenüber dem Mischgestänge 6 ermöglichen. Es können jedoch auch andere geeignete Dichtmittel vorgesehen werden. Vom Mischwerkzeug 8 sind ferner mehrere Mischpaddel 17, 18 erkennbar, mittels denen der anstehende Boden beim Abteufen durchmischt wird. Die Mischpaddel 17, 18 weisen mehrere Düsen 19, 20 auf, über die Bindemittel bzw. eine Suspension in das Erdreich eingebracht werden kann. - Es ist ferner das Düsenstrahlwerkzeug 9 erkennbar, dass mehrere Austrittsdüsen 10, 10' über den Umfang verteilt aufweist. Am Ende des Düsenstrahlwerkzeugs 9 befindet sich die Bohrkrone 12.
- In
Figur 3 sind weitere Einzelheiten des Bohrgeräts gezeigt. Es sind schematisch der Spülkopf 22 gezeigt, der an das Düsenstrahlgestänge 7 angeschlossen ist. Beim Düsenstrahlen werden Betriebsdrücke für das Düsenstrahlmedium von über 200 bar, insbesondere von etwa 400 bar erzeugt. Unterhalb des Spülkopfes 22 ist der Drehkopf 14 zum Antreiben des Düsenstrahlgestänges 7 erkennbar. Unterhalb des Drehkopfs 14 für das Düsenstrahlgestänge 7 befindet sich der Drehkopf 23 zum Antreiben des Mischgestänges 6. Der Drehkopf 23 ist als Durchsteckdrehantrieb gestaltet, das heißt das Mischgestänge 6 ist durch den Drehantrieb 23 hindurchgeführt. Es ist weiter erkennbar, dass zwischen dem oberen Abschnitt des Mischgestänges 6 und dem hierin geführten Düsenstrahlgestänge 7 Dichtungsmittel 24, 25 angeordnet sind, welche verhindern, dass Schmutz in den Ringraum 15 eindringt. -
Figur 4 zeigt ein Bohrgerät 2 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 in einer zweiten Ausführungsform. Das Bohrgerät entspricht hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Funktionsweise weitestgehend den inFigur 1 gezeigten Bohrgerät. Insofern wird hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 mit einem Mischwerkzeug 8 und einem Düsenstrahlwerkzeug 9 zwei weitere Mischwerkzeuge 8' und 8" vorgesehen sind. Es sind also insgesamt 3 Mischwerkzeuge 8, 8', 8", mit entsprechenden Mischgestängen 6, 6', 6" und Drehantrieben 23, 23', 23" vorgesehen. Von diesen bildet das mittlere Mischwerkzeug 8 zusammen mit dem darin koaxial geführten Düsenstrahlwerkzeug 9 die erfindungsgemäße Vorrichtung 11. Die drei Mischwerkzeuge 8, 8', 8" werden über die jeweiligen Bohrgestänge 6, 6', 6" und die zugehörigen Drehantriebe 23, 23', 23" gemeinsam abgesenkt, um das Bohrloch abzuteufen. Dabei wird das Düsenstrahlgestänge 7 gemeinsam mit dem Mischgestänge 6 abgeteuft. Der Vorteil des vorliegenden Bohrgeräts 2 mit drei Mischwerkzeugen 8, 8', 8" besteht darin, dass ein vergleichsweise größeres Bohrloch für die Bodenstabilisierung abgeteuft werden kann, um einen Bodenkörper 29 mit gleicher Breite wie die des Bodenkörpers 30 herzustellen. - Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungsfiguren 5a bis 5e erläutert.
Figur 5a zeigt das Bohrgerät 2 gemäßFigur 4 beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren in der Ausgangsstellung. Es ist erkennbar, dass die unter der Geländeroberkante 3 liegenden Bodenschichten 26, 27, 28 eine unterschiedliche Beschaffenheit aufweisen. Beispielhaft ist die Beschaffenheit vorliegend so, dass die oberste Bodenschicht 26 unter Zugabe von Bindemittel, beispielsweise Zement oder Betonit, mittels mechanischem Durchmischen zu einem Bodenkörper verarbeitet werden kann. Darunter liegt eine zweite Bodenschicht 27, die mit dem Mischverfahren (Deep Soil Mixing) nicht mehr verarbeitet werden kann. Die unterste Bodenschicht 28 stellt einen tragfähigen oder wasserundurchlässigen Boden dar, der als Unterkante für das zu erstellende Bodenelement dienen soll. -
Figur 5b zeigt das Verfahren nach dem Durchführen des ersten Arbeitsschrittes, nämlich nach dem Herstellen des ersten Bodenkörpers 29. Dieser erste Verfahrensschritt wird dadurch bewerkstelligt, dass die drei nebeneinander befindlichen Mischwerkzeuge 8, 8', 8" unter Drehbewegung um ihre jeweilige Achse A, A', A" abgeteuft werden. Mit Hilfe der sich drehenden Mischpaddel 17, 17', 17"; 18, 18', 18" wird die oberste Bodenschicht 26 unter Zugabe eines Bindemittels, insbesondere eines Zements oder einer Bindemittelsuspension durchmischt. Hierdurch entsteht der erste säulenartige Bodenkörper 29. Das in dem mittleren Mischgestänge 6 befindliche Düsenstrahlgestänge 7 ist während des Abteufens der Mischwerkzeuge 8, 8', 8" nicht aktiviert, wird aber gemeinsam mit dem mittleren Mischgestänge 8 abgeteuft. Ist die für die Tiefreichende Bodenstabilisierung (Deep Soil Mixing) vorgesehene Tiefe T1 erreicht, wird das Abteufen der Mischwerkzeuge 8, 8', 8" gestoppt. Diese Position ist inFigur 5b gezeigt. - Im folgenden nächsten Arbeitsschritt wird nun das Düsenstrahlwerkzeug 9 weiter in den Boden, durch die zweite Bodenschicht 27 abgeteuft, und zwar bis zur vorgesehenen Endtiefe T2, die vorliegend durch die Grenze der aneinander liegenden Schichten 27, 28 definiert ist. In
Figur 5c ist der Zustand nach diesem zweiten Arbeitsschritt gezeigt. Das Düsenstrahlgestänge 7 ist aus dem mittleren Mischgestänge 6 heraus nach unten bis in die unterste Bodenschicht 28 hinein abgeteuft worden. Dies geschieht durch den eigens für das Düsenstrahlwerkzeug 9 beziehungsweise das Düsenstrahlgestänge 7 vorgesehenen Drehkopf 14. Dabei wird das Düsenstrahlgestänge 7 mittels des Drehkopfes 14 separat, das heißt unabhängig vom Antrieb der Mischwerkzeuge 8, 8', 8" angetrieben. Währens des Abteufvorgangs des Düsenstrahlwerkzeugs 9 drehen die Mischwerkzeuge 8, 8', 8" vorzugsweise auf der Stelle, das heißt ihre vertikale Position bleibt unverändert. Alternativ hierzu ist es ebenso denkbar, dass die Mischwerkzeuge 8, 8', 8" während des Abteufens des Düsenstrahlwerkzeuges 9 unter Drehbewegung wieder nach oben gezogen werden. - Hiermit würde sich eine verbesserte Durchmischung des oberen säulenartigen Bodenkörpers 29 ergeben.
- Nachdem das Düsenstrahlwerkzeug 9 die gewünschte Endtiefe T2 erreicht hat und die Bohrung 21 bis zur untersten Bodenschicht 28 abgeteuft worden ist, wird mittels des Düsenstrahlwerkzeugs 9 ein zweiter Bodenkörper 30 hergestellt. Dieser dritte Verfahrensschritt ist in
Figur 5d gezeigt. Das Herstellen des zweiten Bodenkörpers 30, der auch als Düsenstrahlkörper bezeichnet werden kann, wird dadurch bewerkstelligt, dass das Düsenstrahlwerkzeug 9 unter Drehung, beziehungsweise unter Durchführung von Schwenkbewegungen, nach oben gezogen wird, wobei aus ein oder mehreren Düsen 10, 10' Wasser beziehungsweise eine Suspension unter hohem Druck austritt und den anstehenden Boden erodiert. Gleichzeitig mit dem Erodieren beziehungsweise Aufschneiden des Bodens wird Zementsuspension unter Druck zugeführt und durch die verfahrensbedingten Turbulenzen eingemischt. In Figur 5d ist schematisch der Düsenstrahl 31 sowie der bereits hergestellte Düsenstrahlkörper 30 erkennbar. Die Verfahrensführung erfolgt von unten nach oben durch die zweite Bodenschicht 27, und zwar von einer etwas unterhalb der Tiefe T2 liegenden Tiefe bis hin zur Tiefe T1. - Während des Düsenstrahlvorgangs können die Mischwerkzeuge 8, 8', 8" nach einer ersten Möglichkeit in der abgeteuften Tiefe T1 verbleiben und dort weiter auf der Stelle drehen. Nach einer alternativen Verfahrensführung können die Mischwerkzeuge 8, 8', 8", während des Düsenstrahlvorgangs ebenfalls nach oben gezogen werden. Nachdem der dritte Verfahrensschritt zur Herstellung de Düsenstrahlkörpers beendet ist, das heißt nachdem das Düsenstrahlwerkzeug 9 wieder bis zur Tiefe T1 gezogen worden ist, wird das Düsenstrahlwerkzeug 9 deaktiviert.
- Im anschließenden vierten Arbeitsschritt, das heißt nach der Herstellung des Düsenstrahlkörpers 30, werden im nächsten Arbeitsschritt die Mischgestänge 6, 6', 6" und die im mittleren Mischgestänge 6 geführten Düsenstrahlgestänge 7 nach oben gezogen.
Figur 5e zeigt den Zustand nach dem vollständigen Ziehen der Mischgestänge 6 und der Düsenstrahlgestänge 7. Unter Umständen kann beim Ziehen der Mischgestänge 6, 6', 6" beziehungsweise der Düsenstrahlgestänge 7 in der oberen Bodenschicht 26 noch ein vertikaler Mischvorgang mittels der Mischwerkzeuge 8, 8', 8" erfolgen. Hiermit lässt sich in vorteilhafter Weise das durch das Düsenstrahlverfahren verfahrensbedingt in diese obere Bodenschicht 26 eingebrachte Rückflussmaterial aus Suspension, das aus der unteren Kubatur in die obere geflossen ist, mit der oberen Kubatur vermischen. Auf diese Weise wird ein homogener Bodenkörper hergestellt. - In
Figur 6 sind im Detail die Werkzeuge 7, 9 während des dritten Verfahrensschritts schematisch gezeigt, und zwar kurz vor der Fertigstellung des Düsenstrahlkörpers 30. Es sind die Mischgestänge 8, 8', 8" mit den daran befestigten Mischpaddeln 17, 17', 17", 18, 18', 18" zu sehen. Ferner ist das im mittleren Mischgestänge 8 koaxial geführte Düsenstrahlgestänge 7 erkennbar. Der schematisch dargestellte Düsenstrahl 31, 31' tritt ein- oder zweiseitig aus dem Düsenstrahlwerkzeug 9 aus. Es sind ferner der mit dem Düsenstrahlverfahren hergestellte untere Bodenkörper 30 und der darüberliegende mittels des Mischverfahrens (Deep Soil Mixing) hergestellte obere Bodenkörper 29 erkennbar. - Insgesamt bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass eine Behandlung von nicht mischbaren Böden, die von mischbaren Böden überlagert sind, ermöglicht wird. Dabei wird in den flacheren Bodenschichten ein erster Bodenkörper 29 mittels tiefreichender Bodenstabilisierung (Deep Soil Mixing) hergestellt. Unterhalb diesem kann mittels des Düsenstrahlverfahrens ein zweiter Bodenverbesserungskörper 30 hergestellt werden, der in Form einer Halbsäule, Säule oder mit ein oder mehreren Lamellen gestaltet sein kann. Der obere Körper 29 ist auf dem unteren Körper 30 abgestützt, welcher auf einer tragfähigen Bodenschicht 28 abgestützt ist. beide Körper 29, 30 bilden gemeinsam ein Bodenelement 32 zur Bodenstabilisierung. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich in vorteilhafter Weise kleinere Geräte zur Erreichung größerer Tiefen verwenden. Insgesamt ergibt sich dadurch, dass die tiefreichende Bodenverbesserung (Deep Soil Mixing) und das Düsenstrahlverfahren integriert sind, eine Zeit und Kostenersparnis.
-
- 2
- Bohrgerät
- 3
- Baugrund
- 4
- Mäkler
- 5
- Träger, Stabilisierungjoch
- 6
- Mischgestänge
- 7
- Düsenstrahlgestänge
- 8
- Mischwerkzeug
- 9
- Düsenstrahlwerkzeug
- 10
- Austrittsdüse
- 11
- Vorrichtung
- 12
- Bohrkrone
- 14
- Drehkopf (Düsenstrahlgestänge)
- 15
- Ringraum
- 16
- Dichtung
- 17
- Mischpaddel
- 18
- Mischpaddel
- 19
- Düse
- 20
- Düse
- 21
- Bohrung
- 22
- Spülkopf, Swivel
- 23
- Drehkopf (Mischgestänge)
- 24
- Dichtmittel
- 25
- Dichtmittel
- 26
- erste Bodenschicht
- 27
- zweite Bodenschicht
- 28
- dritte Bodenschicht
- 29
- erster Bodenkörper
- 30
- zweiter Bodenkörper
- 31
- Strahl
- 32
- Element
- A
- Drehachse
Claims (15)
- Verfahren zur Herstellung von Bodenelementen mit den Verfahrensschritten:Abteufen eines Mischwerkzeugs (8) unter Drehbewegung bis zu einer ersten Tiefe (T1), wobei der Boden in einem ersten Bodenbereich (26) durchmischt wird;Abteufen eines Düsenstrahlwerkzeugs (9) bis zu einer zweiten Tiefe (T2) unterhalb des durchmischten ersten Bodenbereichs (26);Ziehen des Düsenstrahlwerkzeugs (9) von der zweiten Tiefe (T2) bis zur ersten Tiefe (T1) unter Dreh- oder Schwenkbewegung bei aktiviertem Düsenstrahl, wobei der Boden in einem zweiten Bodenbereich (27), der unterhalb des durchmischten ersten Bodenbereichs (26) liegt, erodiert und eine Suspension in diesen zweiten Bodenbereich (27) eingebracht wird, wobei das Düsenstrahlwerkzeug (9) unabhängig von dem Mischwerkzeug (8) axial bewegt wird; undZiehen des Mischwerkzeugs (8) und des Düsenstrahlwerkzeugs (9) aus dem Boden.
- Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mischwerkzeug (8) und das Düsenstrahlwerkzeug (9) bis zur ersten Tiefe (T1) gemeinsam abgeteuft werden. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mischwerkzeug (8) beim Abteufen des Düsenstrahlwerkzeugs (9) weiter dreht, insbesondere auf der Stelle dreht. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass beim Ziehen des Düsenstrahlwerkzeugs (9) von der zweiten Tiefe (T2) bis zur ersten Tiefe (T1) das Mischwerkzeug (8) ebenfalls nach oben gezogen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mischwerkzeug (8) beim Ziehen des Düsenstrahlwerkzeugs (9) von der zweiten Tiefe (T2) bis zur ersten Tiefe (T1) in der abgeteuften Stellung verbleibt und, nachdem das Düsenstrahlwerkzeug (9) die erste Tiefe (T1) erreicht hat, zusammen mit diesem nach oben gezogen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abteufen und/oder das Ziehen des Mischwerkzeugs (8) unter Einbringen eines Bindemittels erfolgt, wobei mit dem Aushärten des Bindemittels ein säulenförmiger Bodenverbesserungskörper (29) entsteht. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Suspension für den Düsenstrahl Wasser und ein hydraulisches Bindemittel beinhaltet, wobei mit dem Aushärten des Bindemittels ein zweiter Bodenverbesserungskörper (30) entsteht. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Rücklaufmaterial der vom Düsenstrahlwerkzeug (9) eingedüsten Suspension zumindest teilweise zum Einbringen in den ersten Bodenbereich (26) verwendet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bodenbereich (26) nach Beendigung des Düsenstrahlens des zweiten Bodenbereichs (27) mittels des Mischwerkzeugs (8) nochmals durchmischt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein zwischen dem Gestänge (7) des Düsenstrahlwerkzeugs (9) und dem Gestänge (6) des Mischwerkzeugs (8) gebildeter Ringraum (15) zumindest während des Düsenstahlvorgangs mit einer Flüssigkeit durchspült wird. - Vorrichtung zur Herstellung von Bodenelementen, umfassend
ein Mischwerkzeug (8) zum Durchmischen von Boden mit einem Bindemittel und ein Düsenstrahlwerkzeug (9) zum Erodieren und Durchmischen von Boden mit einer Suspension,
wobei das Mischwerkzeug (8) und das Düsenstrahlwerkzeug (9) koaxial zueinander angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mischwerkzeug (8) und das Düsenstrahlwerkzeug (9) unabhängig voneinander axial bewegbar sind. - Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Antreiben des Mischwerkzeugs (8) ein erster Drehkopf (13) und zum Antreiben des Düsenstrahlwerkzeugs (9) ein zweiter Drehkopf (14) vorgesehen sind, wobei der erste Drehkopf (13) und der zweite Drehkopf (14) unabhängig voneinander drehend antreibbar sind. - Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Düsenstrahlgestänge (7) für das Düsenstrahlwerkzeug (9) innerhalb des Mischgestänges (6) des Mischwerkzeugs (8) angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mischgestänge (6) zumindest ein Rohr umfasst, in dem zumindest ein Teil des Düsenstrahlgestänges (7) drehbar und axial verschiebbar geführt ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein zwischen dem Mischgestänge (8) und dem Düsenstrahlwerkzeug (9) beziehungsweise dem Düsenstrahlgestänge (7) gebildeter Ringraum (15) mit Dichtmitteln (16) abgedichtet ist.
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