DE69700280T2 - Verfahren zum Erhöhen der Belastbarkeit eines Fundamentsbodens für Bauwerke - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Belastbarkeit des Fundamentsbodens für Bauwerke.
• Es ist bei jedem Bauwerk notwendig, daß der Fundamentsboden über eine ausreichende Belastbarkeit verfügt, um dieses zu tragen. Andernfalls führt das Setzen des Fundamentsbodens zum Einsturz des darüber liegenden Bauwerks, ungeachtet der Tatsache, ob das Setzen in der obersten oder in einer tieferen Schicht auftritt.
• Vor dem Errichten eines Bauwerks wird daher die Belastbarkeit des Bodens entsprechend dem Gewicht oder der Belastung, die das Bauwerk auf den Boden ausübt, untersucht, wobei erforderlichenfalls eine entsprechende Bodenuntersuchung wie zum Beispiel eine geologische und geotechnische Untersuchung herangezogen wird.
• Um die Stabilität der Struktur zu gewährleisten, werden die optimalen Abmessungen sowie die Festigkeit der Fundamente berechnet und es wird deren Tiefe bestimmt, wobei das Gewicht der Fundamente in Bezug auf die Belastbarkeit des Bodens abgewogen und stets eine ausreichende Sicherheitsspanne eingehalten wird. Tritt ein Fehler auf, kann das Bauwerk einstürzen.
• Oft ist jedoch die Belastbarkeit des Fundamentsbodens unzureichend, da der Boden komprimierbar ist wie beispielsweise bei aufgeschüttetem Boden, nicht konsolidiertem Boden, Boden mit sich zersetzenden organischen Schichten, Torfboden, Sumpfboden, Boden mit stark unterschiedlichem Wassergehalt, bei überflutetem oder ausgespültem Boden mit Hohlräumen oder unzureichend verdichteten Massen, Boden mit Zwischenräumen oder wenn das Bauwerk sehr schwer ist und eine höhere Belastbarkeit als die des Fundamentsbodens erforderlich ist.
• Es gibt eine Vielzahl herkömmlicher Systeme, die die Stabilität des Bauwerks gewährleisten. Im allgemeinen wird bei diesen Systemen das Gewicht des Bauwerks direkt auf die tieferen und hinreichend festen Bodenschichten übertragen oder die Belastung wird auf eine breite Grundfläche verteilt. Hierzu gehört zum Beispiel das Verfahren, bei dem Pfeiler oder Mikropfeiler und ähnliches in den Fundamentsboden eingetrieben werden. Dieses Verfahren kann sowohl vor als auch nach der Errichtung angewandt werden. Das Eintreiben von Pfeifern und Mikropfeilern oder ähnlichem nach der Errichtung des Bauwerks ist allerdings sehr kompliziert und kostspielig.
• Herkömmliche Verfahren verhindern auch ein Absinken des Bauwerks nach seiner Errichtung wie zum Beispiel das in dem US Patent 4 567 708 beschriebene Verfahren, welches das Einspritzen einer expansionsfähigen Substanz unterhalb des Bauwerks vorsieht, um die Zwischenräume, die sich gebildet und das Absinken verursacht haben, zu füllen und das Absinken des Bauwerks aufzufangen, oder andere Hebeverfahren.
• Bei dem in dem oben genannten Patent offenbarten Verfahren sowie auch bei anderen Hebesystemen wird jedoch der Fundamentsboden nicht behandelt. Es werden höchstens die Oberflächenschichten des Bodens behandelt, wodurch mit der Zeit ein weiteres Absinken des Bauwerks eintritt, wenn sich der darunter liegende Boden nicht ausreichend gesetzt hat. Ein Verfahren zur Konsolidierung des Bodens, welches expansionsfähige Substanzen verwendet, ist ebenso aus der DE-A-33 32 256 bekannt.
• Es ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Probleme zu lösen, indem ein Verfahren angegeben wird, das die Stabilität von Bauwerken gewährleistet durch entsprechendes Behandeln des Fundamentsbodens zwecks Erhöhung seiner Belastbarkeit.
• Im Rahmen dieses Ziels ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Verwendung von Zement, Beton oder in den Boden eingetriebene Metallkonstruktionen wie Pfeiler, Mikropfeiler, Zementeinspritzungen, sehr tiefe Fundamente etc. nicht erforderlich ist.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das einfach und leicht durchzuführen ist und zum Erhöhen der Belastbarkeit von Fundamentsböden sowohl vor als auch nach dem Errichten des Bauwerks angewendet werden kann.
• Dieses Ziel, diese Aufgaben sowie andere, die sich aus dem folgenden ergeben, werden durch ein Verfahren zum Erhöhen der Belastbarkeit des Fundamentsbodens für Bauwerke gemäß der vorliegenden Erfindung und den im Anspruch 1 angegebenen Schritten erreicht.
• Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, das lediglich an Hand eines nicht einschränkenden Beispiels in den beiliegenden Zeichnungen erläutert ist. Darin zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht des Einspritzens der expansionsfähigen Substanz durch in den Boden eingebrachte Bohrungen,
• Fig. 2 und 3 Ansichten des Ergebnisses der Expansion der expansionsfähigen Substanz, wenn diese eingespritzt wird, wobei das zum Einspritzen verwendete Rohr allmählich nach oben zurückgezogen wird, was entweder mit Unterbrechungen bei unterschiedlichen Tiefen oder in einer kontinuierlichen Bewegung erfolgt,
• Fig. 4 eine Ansicht des Ergebnisses der Expansion der eingespritzten Substanz bei aufeinanderfolgenden Einspritzungen mit verschiedenen Rohren, die in verschiedene Bohrungen an voneinander beabstandeten Stellen und bei unterschiedlichen Tiefen eingelassen wurden.
• Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besteht im wesentlichen aus dem Einbringen mehrerer Bohrungen 1 in den Boden, die bei bereits bestehenden Bauwerken durch das Fundament bei Unterschiedlichen Tiefen und vorzugsweise mit einem zwischen 0,5 m und 3 m liegenden Abstand zweier benachbarter Bohrungen 1 verlaufen können.
• Die Bohrungen können entsprechend den Anforderungen variable Abmessungen haben und im wesentlichen vertikal oder unter einem Winkel zur Vertikalen eingebracht werden. Wie im folgenden deutlich wird, kann auch die Tiefe der Bohrungen entsprechend den Anforderungen variieren.
• Anschließend werden Rohre 2 in die Bohrungen 1 eingelassen oder eingetrieben, und eine durch chemische Reaktion der Komponenten expandierende Substanz 3, deren potentielle Volumenzunahme mindestens das Fünffache des Volumens vor der Expansion beträgt, wird durch die Rohre in den Boden eingespritzt. Der Begriff "potentielle Volumenzunahme" bezieht sich auf die Volumenzunahme der Substanz infolge einer ungehindert stattfindenden Expansion bei Luftdruck.
• Die expansionsfähige Substanz besteht vorteilhafterweise aus einer Mischung eines expansionsfähigen Polyurethanschaums, vorzugsweise einem geschlossenzelligen Polyurethanschaum. Diese Substanz kann beispielsweise aus einem Zweikomponentenschaum bestehen, der in einer an die Einspritzrohre 2 angeschlossenen Mischeinheit 4 gemischt wird. Die erste Komponente kann eine Mischung von Polyolen bestehend aus einem Polyether-Polyol und/oder einem Polyester-Polyol, einem Katalysator und Wasser sein wie zum Beispiel das von der niederländischen Firma Resina Chemie hergestellte RESINOL AL 643. Die zweite Komponente kann ein Isocyanat MDI wie zum Beispiel URESTYL 10 sein, das von derselben Firma hergestellt wird. Durch Vermischen dieser beiden Komponenten entsteht ein expansionsfähiger Polyurethanschaum, dessen Dichte nach erfolgter Expansion je nach Widerstand des Bodens nahe dem Einspritzbereich variiert.
• Es ist natürlich ebenso möglich, andere expansionsfähige Substanzen mit ähnlichen Eigenschaften zu verwenden, ohne dabei den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Je nach Anforderungen kann die expansionsfähige Substanz durch die vorher in den Boden eingebrachten Bohrungen 1 in einem einzigen Einspritzschritt eingeführt werden, wie in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt. Hierbei wird von unten begonnen, wobei das Einspritzrohr allmählich nach oben zurückgezogen wird. Dies kann wahlweise mit Unterbrechungen durchgeführt werden, um unterschiedliche Säulen gehärteter und expandierter Substanz zu erhalten, wie in der Fig. 2 gezeigt, oder die Substanz kann durch aufeinanderfolgende Einspritzungen in festgelegten und unterschiedlichen Tiefen an Stellen eingespritzt werden, die voneinander dreidimensional und gleichmäßig beabstandet sind, wie insbesondere in der Fig. 4 gezeigt, um in dem Fundamentsboden Bereiche expandierter und gehärteter Substanz zu erhalten entsprechend den Anforderungen und den geologischen Eigenschaften des Bodens. In letzterem Fall verbleiben die für die Einspritzung verwendeten Rohre im Boden.
• Da die Substanz 3 nach dem Einspritzen aufgrund ihrer Fließfähigkeit auch in jegliche Hohlräume und Bruchlinien des Bodens eindringt und mit großer Kraft und Geschwindigkeit in alle Richtungen expandiert, erzeugt sie eine Kraft, die den Boden in der gesamten Umgebung verdichtet und komprimiert. Somit werden durch Komprimieren oder Auffüllen alle Hohlräume und Mikrohohlräume, selbst extrem kleine, beseitigt und ein Großteil des den Boden durchtränkenden Wassers entfernt, wodurch lose Teile (Körner oder nicht zusammenhängende Teile) verdichtet werden, bis eine Erdmasse entsteht, die über die gesamte behandelte Schicht in Bezug auf das von ihr getragene oder zu tragende Gewicht nicht weiter komprimiert werden kann.
• Es sei erwähnt, daß die expansionsfähige Substanz, die bei unterschiedlichen Tiefen an entsprechend berechneten Stellen, die einen bestimmten gegenseitigen Abstand haben, oder längs ansteigender Linien eingespritzt wird, während des Einspritzens automatisch an die komprimierbareren Stellen fließt, die der expansionsfähigen Substanz weniger Widerstand leisten. Auf diese Weise werden die am meisten behandlungsbedürftigen Bereiche automatisch intensiver behandelt, ohne daß Freiräume mit unbehandelten Bereichen bleiben.
• Das sofortige Expandieren der eingespritzten Substanz ermöglicht zudem ein ziemlich genaues Eingrenzen des Expansionbereiches, so daß die zu erzeugende Wirkung an den beabsichtigten Stellen sehr gut überprüft werden kann. Der von der eingespritzten Substanz auf den umgebenden Boden ausgeübte Druck resultiert aus der durch die chemische Reaktion verursachten Expansion und wird nicht durch hydraulischen Druck hervorgerufen. Die expansionsfähige Substanz wird zwar durch hydraulischen Druck eingespritzt, doch dient dieser nur dazu, die Substanz an den gewählten Stellen einzuführen.
• Hinsichtlich der Bohrungstiefe können zwei verschiedene Verfahren angewandt werden. Ein erstes Verfahren besteht darin, die Gesamtdicke der Bodenschichten, die komprimierbar sind oder eine geringe Belastbarkeit haben, so zu behandeln, daß eine Konsolidierung bis zu dem durchgehenden Horizont der Schichten mit ausreichender Belastbarkeit unabhängig von deren Tiefe erfolgt. Der durchgehende Horizont kann durch geotechnische Untersuchungen des Bodens ermittelt werden.
• Das zweite Verfahren besteht hingegen darin, daß eine Bodenschicht behandelt wird, die aus technischen und/oder wirtschaftlichen Gründen nicht bis zu dem ermittelten durchgehenden Horizont reicht, der eventuell sehr tief liegt, die aber in jedem Fall dick genug ist, um das darüber liegende Gewicht auf eine breitere Fläche zu verteilen. Dadurch, daß die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelte Bodenschicht eine hinreichend kompakte, feste und in jedem Falle leichte Schicht bildet, kann sie von den tiefer liegenden Bodenschichten wirksam und weiträumig gestützt werden, auch wenn diese Schichten ansonsten nicht über eine ausreichende Belastbarkeit verfügen würden.
• Die Expansion der eingespritzten Substanz infolge der chemischen Reaktion ihrer Komponenten erfolgt sehr schnell und entwickelt eine sehr hohe Expansionskraft von bis zu 40 Tonnen oder mehr pro Quadratmeter.
• Während des Einspritzens kann das Niveau des darüber liegenden Bauwerks oder der Bodenfläche mit einem Laser-Nivelliergerät oder einem anderen System dauernd überwacht werden. Zeigt das Gerät an, daß das Bauwerk oder die Bodenfläche beginnt, sich anzuheben, bedeutet dies im allgemeinen, daß die Verdichtung des Bodens dreidimensional um die Einspritzstelle sehr hohe Werte erreicht hat, die in der Regel über den erforderlichen Mindestwerten liegen.
• Durch chemische Reaktion expandiert die Masse eingespritzter Substanz mit großer Kraft in alle Richtungen. Registriert das Gerät selbst eine geringe Anhebung der Oberfläche, so bedeutet dies, daß die expansionsfähige Substanz beim Expandieren in der vertikalen Richtung einen geringeren Widerstand angetroffen hat im Vergleich zu allen anderen Richtungen. Folglich widersteht der unter und um die eingespritzte Substanz liegende Boden dem gesamten Gewicht (das dynamisch ist und sich damit vervielfacht) nicht nur der gesamten darauf statisch ruhenden Erdmasse (und jeglichen Bauwerks), sondern auch der gesamten Umgebungsmasse, die (durch Reibung und Ballung) unter einem Lastdiffusionswinkel verdrängt wird, der in der Regel mit etwa 30º berechnet und lediglich umgekehrt wird. Eine Kompression erfolgt ebenso in dem angehobenen Boden.
• Durch Wiederholen dieses Vorgangs bei unterschiedlichen Tiefen (die etwa 1 Meter voneinander beabstandet sind, was jedoch je nach Art des Bodens und der zu erreichenden Belastbarkeit variiert) wird auf jedem Niveau eine größere Belastbarkeit als die erforderliche erzielt. Durch diese Vorgehensweise und durch Einspritzungen kontinuierlich längs ansteigender Säulen, wobei baumartige Formen mit einer sehr unregelmäßigen Konfiguration mit Vorsprüngen, Einbuchtungen und Ausbuchtungen beachtlicher Größe durch unterschiedlichen Verdichtungswiderstand des Bodens und das Vorhandensein von Zwischenräumen oder Bruchlinien im Boden erzeugt werden, wird die gesamte Masse und die behandelte Bodenschicht komprimiert und verdichtet. Der Wassergehalt sinkt beachtlich, und der Boden wird zu einem wertvollen Fundamentsboden, der geeignet ist, das darüber liegende oder zu errichtende Bauwerk zu tragen.
• Die expansionsfähige Substanz kann eine Dichte haben, die je nach Expansionswiderstand des sie umgebenden Bodens variiert. In den meisten Fällen schwankt die Dichte zwischen 100 kg/m³ und 300 kg/m³. Die Dichtewerte können jedoch auch höher sein, da die Dichte der expandierten Substanz direkt proportional zum Widerstand gegen ihre Expansion ist. Der Kompressionswiderstand der expandierten Substanz selbst ist von der Dichte abhängig.
• Eine Substanz einer Dichte von 100 kg/m³ hat einen Widerstand von etwa 14 kg/cm², während bei einer Dichte von 300 kg/m³ der Kompressionswiderstand bei etwa 40 kg/cm² liegt. Diese Werte sind weitaus höher als diejenigen, die normalerweise für Fundamentsboden erforderlich sind. Werden höhere Kompressionswider standswerte auch für unterschiedliche Tiefen desselben Bodens benötigt, so liegt ein größeres Gewicht und damit ein höherer Expansionswiderstand vor, so daß sich automatisch ein dichteres und somit festeres Material bildet.
• Es ist auf jeden Fall möglich, eine Bodenfläche oder ein Bauwerk vorübergehend zusätzlich zu belasten.
• In der Praxis trägt die eingespritzte und gehärtete Substanz das darüber liegende Bauwerk nicht allein, obwohl sie zur Erreichung dieses Zwecks beiträgt. Das Gewicht des Bauwerks wird von dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Fundamentsboden wirksam getragen.
• In der Praxis wurde beobachtet, daß das erfindungsgemäße Verfahren das beabsichtigte Ziel und die Aufgaben vollkommen erfüllt, da es ermöglicht, auf eine sehr einfache, schnelle, wirksame und endgültige Weise die Belastbarkeit von Fundamentsböden zu erhöhen, bis diese den Konstruktionsanforderungen vollkommen entsprechen.
• Dort, wo technische Merkmale in den Ansprüchen von Bezugszeichen gefolgt sind, wurden diese einzig zu dem Zwecke der besseren Verständlichkeit der Ansprüche eingefügt, so daß jene Bezugszeichen keinerlei einschränkende Wirkung auf die Interpretation eines jeden durch sie beispielhaft gekennzeichneten Elements haben.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erhöhen der Belastbarkeit des Fundamentsbodens für Bauwerke, umfassend: Einbringen mehrerer Bohrungen (1) mit gegenseitigem Abstand tief in den Boden; Einspritzen einer durch chemische Reaktion expandierenden Substanz (3) durch die Bohrungen in den Boden; Verdichten des Bodens nahe der Einspritzzone durch die Expansion der eingespritzten Substanz, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der dauernden Überwachung des Niveaus des Bodens und/oder des Bauwerks über der Einspritzzone zum Erfassen des Zeitpunktes, zu dem das Bauwerk und/oder die Bodenfläche über der Einspritzzone angehoben wird und die Verdichtung des Bodens allgemein höhere Werte als den erforderlichen Mindestwert erreicht hat, wobei die Expansion der eingespritzten Substanz sehr schnell erfolgt und eine potentielle Volumenzunahme der expandierten Substanz mindestens das Fünffache des Volumens vor der Expansion beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzen bei unterschiedlichen Tiefen wiederholt wird, um ein Verdichten der Massen oder Schichten des behandelten Bodens zu erreichen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Tiefen einen gegenseitigen Abstand von etwa 1 m zueinander haben, wobei bei jeder Tiefe eine größere Belastbarkeit als die erforderliche erzielbar ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachen mit einem Laser-Nivelliergerät durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (1) vertikal eingebracht werden, und daß die Einspritzungen kontinuierlich längs ansteigender Säulen erfolgen, wobei baumartige Formen mit einer sehr unregelmäßigen Konfiguration mit Vor sprüngen, Einbuchtungen und Ausbuchtungen beachtlicher Größe durch unterschiedlichen Verdichtungswiderstand des Bodens und durch das Vorhandensein von Zwischenräumen oder Bruchlinien im Boden erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der Bodenschichten, die komprimierbar sind · oder eine geringe Belastbarkeit haben, so behandelt werden, daß eine Konsolidierung bis zu dem durchgehenden Horizont der Schichten mit ausreichender Belastbarkeit unabhängig von der Tiefe des durchgehenden Horizonts erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die expansionsfähige Substanz eine zur sofortigen Expansion geeignete Substanz ist, die eine Mischung von Polyolen und eines Isocyanats MDI enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die expansionsfähige Substanz eine Mischung zweier Komponenten ist, von denen die erste ein Polyetherpolyol und/oder ein Polyesterpolyol, ein Katalysator und Wasser und die zweite das Isocyanat MDI ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zweier benachbarter Bohrungen 0,5 m bis 3 m beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (1) unter einem Winkel zur Vertikalen eingebracht werden.