Verfahren zur Stabilisierung von Böden zwecks Verbesserung ihrer Tragfähigkeit

Abstract

 Das Verfahren bezieht sich auf die Bodenstabilisierung unter Anwendung von Armierungselementen (7,8.9) in dem zu stabilisierenden Bodenbereich. Dem in einen weichen bis breiigen Zustand gebrachten Bodenmaterial-Bindemittel-Gemisch werden, vor oder nach der Flüssigkeitsbeigabe Einzel-Armierungselemente (7, 8, 9) von länglicher Gestalt beigegeben. Deren Länge entspricht im wesentlichen etwa der Dicke der zu stabilisierenden Bodenschicht. Die Einbringung der Armierungselemente (7, 8, 9) in das in weichen bis breiigen Zustand versetzte zu stabilisierende Gemisch erfolgt so, dass eine im wesentlichen gleichmässige Verteilung der Armierungselemente (7, 8, 9) im Bodenmaterial-Bindemittelgemisch resultiert.
Das Verfahren eignet sich vorzugsweiser für die Stabilisierung von Unterlagenschichten (2, 3, 4, 5) im Bahn- und Strassenbau, für Flugplätze und für die Begfestigung von stark mechanisch beamspruchtem Baugrund.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stabilisierung von weichen, feinkörnigen Böden zwecks Verbesserung ihrer Tragfähigkeit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Es ist bekannt, für bestimmte Belastungsarten'ungenügend stabile oder tragfähige Böden durch Beimischung von verfestigenden Bindemitteln oder den Einbau von sogenannten Geotextilien aus unverrottbaren Kunststoffmaterialien oder nicht korrodierender Flächengebilde mit Gitter- oder Netzstruktur wenigstens für eine beschränkte Zeit, aber auch dauernd so zu verbessern, dass eine für die Anforderungen ausreichende Stabilität oder Tragfähigkeit erreicht wird. Unter "ungenügend stabilen Böden" sollen insbesondere solche verstanden werden, welche eine hohe Wasserempfindlichkeit aufweisen und auf Umgebungseinflüsse wie z.B. Wasserzutritt,Belastungsänderungen, aber auch Gefrieren und Auftauen, mit Volumen- und/oder Festigkeitsänderungen reagieren. Bekannt sind vor allem Stabilisierungen mit Zement oder Kalk, wobei der Zement oder der Kalk vor einer allfälligen Verdichtung möglichst gleichmässig verteilt zugegeben und nach dem Verdichten einige Tage ungestört abbindet bzw. aushärtet. Solchermassen stabilisierte Böden sind in der Regel infolge ausreichender Resistenz gegen Wasseraufnahme nach dem Abbinden bzw. Aushärten zwar stabil gegen Wasser und Frost. Nachteilig ist aber, dass diese Verfahren nur angewandt werden können, wenn der bearbeitete Boden einen Wassergehalt deutlich unter dem der Fliessgrenze aufweist, was bei weichen und/oder aufgeweichten Böden nicht der Fall ist.

[0003] Zement- und/oder kalkstabilisierte Böden weisen je nach Bindemittelgehalt und Bodenaufbau eine mehr oder weniger grosse Druckfestigkeit, aber praktisch keine Zugfestigkeit auf. So besteht namentlich beim Auftreten von häufiger oder ständiger Wechselbeanspruchung die Gefahr, dass der Zusammenhalt der stabilisierten Schicht durch mechanische Beanspruchung verloren geht und sich die Schicht in mehr oder weniger grosse Schollen auflöst, sofern die stabilisierte Schicht nicht eine grosse Dicke aufweist. Solche Schollen können dann in einen weichen Untergrund absinken, oder bei starker dynamischer Beanspruchung wie z.B. bei Bahntrassen durch Pumpwirkung in die Schotter- bzw. Tragschicht aufsteigen. In beiden Fällen tritt eine fortschreitende Verkleinerung der stabilisierten Bodenschicht auf und die durch die Stabilisierung erwünschte Wirkung wird zunehmend geringer.

[0004] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Stabilisierung von weichen, feinkörnigen Böden, wie tonige Silte, Silte, Feinsande sowie organisch verunreinigte Böden, zwecks Verbesserung der Tragfähigkeit einer obenliegenden Bodenschicht vorzuschlagen, um die Lastaufnahme durch den gewachsenen, darunterliegenden Boden ohne Materialersatz möglichst "fliessend" zu gestalten, das Arbeitsvermögen und die Flexibilität durch Steigerung der Biegezug- und Scherfestigkeit innerhalb des verfestigten Bodenbereichs zu erhöhen und um die durch Belastung und Schwinden bedingte Risseentstehung zu begrenzen und die Risseausbreitung zu behindern. Eine weitere Aufgabe ist das Erzielen gesteigerter Frühfestigkeitseigenschaften, d.h. die Fähigkeit der stabilisierten Bodenschicht, bereits kurz nach Einbau bzw. Erstellung grössere Belastungen aufnehmen zu können.

[0005] Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Stabilisierung von Böden, bei dem die Nachteile bisheriger Bodenstabilisierungsverfahren mit relativ einfachen Mitteln wirksam eliminierbar sind. Es soll insbesondere ein Verfahren geschaffen werden, das vorzugsweise für die Verbesserung der Tragfähigkeit des von Verkehrswegen und anderem stark mechanisch beanspruchtem Baugrund die Durchführung von Bodenstabilisierungen auch unter schwierigen Witterungsverhältnissen, z.B. Regen ermöglicht. Dabei soll bereits kurz nach Arbeitsabschluss eine tragfähige Bodenschicht zwischen dem gewachsenen Boden und einer Verschleiss- bzw. Lastaufnahmeschicht erzielbar sein.

[0006] Die erfindungsgemässe Lösung der gestellten Aufgabe und die Mittel zu Erreichung des Erfindungszieles sind durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan- . spruchs 1 definiert. Ausführungsformen davon gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

[0007] Einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. der durch das Verfahren zu erzielenden stabilisierten Bodenschicht sind nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. In diesen zeigt :

Fig. la, b Querschnitte durch a) einen Bahngeleisekörper mit einer unter der Schotterauflage, und b) im gewachsenen Boden eines Strassen- oder Platzterrains unter der Verschleisschicht eingebauten stabilisierten Schicht nach der Erfindung;

Fig. 2a, b, c drei Beispiele für nach dem Streuverfahren in eine zu stabilisierende Schicht eingebrachte Armierungselemente aus a) offenen, beliebig biegbaren, schnitzelartigen Materalien, b) in sich geschlossenen Gebilden aus federsteifen Ringgliedern, und c) aus nadel-oder stabförmigen länglichen Fasern oder Fasergebilden, und

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Bodenstabilisierung mit einer die Materialverzahnung und die Bruchfestigkeit im Uebergangsbereich zum gewachsenen Boden mechanisch steigernden Gittereinlage im Bereich der zu stabilisierenden Schicht.

[0008] Die Fig. la, b zeigen zwei typische Anwendungsformen der Erfindung an bestehenden Tiefbauobjekten. Das erstgezeigte Beispiel (Fig. la) betrifft eine speziell aber nicht ausschliesslich beim Geleiseunterhalt praktizierbare Anwendung. Ein durch jahrelanges Befahren unelastisch gewordenes Schotterbett 1, in das aus dem ursprünglich darunterliegenden Kieskoffer infolge Pumpwirkung aufgestiegenes Basismaterial (= gewachsener Boden oder Dammschüttung) eingedrungen ist, soll ersetzt werden. Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird zunächst der mit Erde durchsetzte Schotter und der Kieskoffer entfernt und hierauf der darunterliegende gewachsene Boden im Ortsmischverfahren aufbereitet wobei die Einarbeitung von Bindemitteln wie Zement, Kalk etc., sowie die Beigabe von Wasser und Armierungsteilchen erfolgt. Die Aufbereitung des gewachsenen Bodens erfolgt zweckmässig mit einer Bodenfräse. Die verfestigte Schicht sichert eine gute Lastübertragung, so dass der gesamte Kieskoffer entfallen kann.

[0009] Die übliche Beimischung der Bindemittel erfolgt in flüssigem Zustand, so dass automatisch durch Infiltration eine unterste bindemittelärmere Basisschicht 3 von 2 bis 3 cm Höhe bei einer z.B. insgesamt 12 bis 15 cm hohen zu stabilisierenden und zu verfestigenden Schicht 2 entsteht. Es ist aber auch möglich, die Bindemittelbeimischung zusammen mit der Wasserbeigabe vorzunehmen.

[0010] Das zweitgezeigte Beispiel (Fig. lb) betrifft eine Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens beim Bau oder Unterhalt von schwach belastbaren Strassen, sowie bei der Erstellung von Trottoirs und Plätzen. Das Verfahren ist auch anwendbar für die Erstellung des Unterbaus von Hauptstrassen in Gebieten mit wenig tragfähigem Untergrund. Das Aufbereiten des Bindemittel-, Flüssigkeits-, bzw. Wasser-Erdgemisches erfolgt auch hier nach dem Ortsmischverfahren wie oben beschrieben. Ebenso wird zweckmässig eine bindemittelärmere Basisschicht vorgesehen. Unter Bindemitteln sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein neben Zement und Kalk auch auf Silikatbasis mit und ohne Härter bestehende Bindemittel verstanden werden. Die Hauptschicht 5 aus stabilisiertem Bodenmaterial erhält dann eine Deckschicht 6 in der Form einer Verschleisschicht. Vorteilhaft kann beim Ortsmischverfahren die Höhe der Basisschicht 4 beispielsweise durch höhenverstellbare Mittel des Mischgerätes festgelegt werden.

[0011] Dem weichen bis viskosen Bodenmaterial-Bindemittel-WasserGemisch werden erfindungsgemäss Armierungselemente beigegeben, die in die genannte Mischung eingearbeitet und in dieser im wesentlichen gleichmässig verteilt suspendiert werden. Das Einarbeiten der Armierungselemente erfolgt grundsätzlich nur bei weichem bis breiigem Zustand des zu stabilisierenden Bodens und erfolgt zweckmässig mittels fahrbarer Verteil- und Einbringgeräte, z.B. mittels der auch zum Aufbereiten des Bodens benützten Bodenfräse. Als Beispiel eines typischen Arbeitsablaufes beim erfindungsgemässen Bodenstabilisieren kann nachdemEntfernen allfälliger nicht näher zu beschreibender Deckschichten folgender Vorgang betrachtet werden :

1. Auffräsen der zu stabilisierenden Bodenschicht;

2. Vorinfiltration von Bindemittel bzw. Bindemitteln und Flüssigkeit bzw. Wasser;

3. Einstreuen von Armierungselementen;

4. Mischen des mit Bindemittel vorinfiltrierten Bodenmaterials, Wasser und Armierungselementen und allfälliger Beigabe von weiterem Wasser zur Erzielung des breiigen Zustandes;

5. Beigabe von allenfalls weiterem (weiteren) Bindemittel (Bindemitteln);

6. Einmischen der allenfalls nach 5) beigegebenen weiteren Bindemittelbeigabe.

[0012] Die Armierungselemente können nach Fig. 2a aus beliebig geformten und beliebig biegsamen, stab- oder schnitzelartigen, etwa 4 bis 20 cm langen Armierungselementen 7 aus einem elastisch dehnbaren Material bestehen. Bei nach Fig. 2b ringförmig geschlossenen Armierungselementen sollen die Elemente - in einer wenigstens kreisförmig gedachten Konfiguration - 4 bis 10 cm Durchmesser aufweisen. Stab- oder nadelförmige Elemente nach Fig. 2c sollen ca. 4 - 10 cm lang sein. Die Element-Dichte in der zu stabilisierenden Bodenmaterialmischung wird je nach der gewünschten Belastbarkeit so gewählt, dass sich pro Schnittflächeneinheit - in beliebigen Richtungen gesehen - ein Armierungselementenflächenanteil von mehr als 2 o/oo ergibt.

[0013] Die Armierungselemente 9 sollen in beliebigen Richtungen in der Materialmischung orientiert sein, um eine rundum etwa gleichmässige Verankerungswirkung zu erzielen.

[0014] Grundsätzlich besitzen die in den Beispielen nach Fig. 2a-c gezeigten Armierungselemente eine Länge, die höchstens etwa der Dicke der zu stabilisierenden Bodenschicht entspricht. Der Querschnitt der Armierungselemente beträgt zur Erhaltung der beschriebenen Flexibilität höchstens etwa 12 m_m².

[0015] Eine weitere Möglichkeit der Armierung eines für höhere Belastbarkeit zu stabilisierenden und zu verfestigenden Bodenabschnitts ist in Fig. 3 gezeigt. Auf einer bindemittelarmen- und im wesentlichen armierungselementfreien Basisschicht 10 wird z.B. auf einem relativ weitmaschigen Distanzierungsrost 11, der hier als Stabrost dargestellt ist, ein gitter- oder netzartiges Flächengebilde 12, z.B. ein Geotextil oder Stahldrahtnetz als Grundarmierung aufgelegt, das von der stabilisierten Schicht durchdrungen wird. Anschliessend kann beliebige Elementarmierung der beschriebenen Art des Gemisches erfolgen.

[0016] Mehrere Gitter oder netzartige Flächengebilde 12 können in vertikalen Abständen in das weiche bis viskose Gemisch eingebettet werden. Zusätzlich zu den genannten Flächengebilden können Armierungselemente nach den Fig. 2a - c eingestreut werden.

[0017] Selbstverständlich ist es möglich, durch Schnellabbindezusätze namentlich im Bahnunterbau-Unterhalt so kurze Abbindezeiten zu erzielen, dass die beschriebene Bodenstabilisierung auch in den normalerweise relativ kurzen Betriebspausen abschnittweise erfolgen kann. Ausschlaggebend ist jedoch das Vorhandensein der beschriebenen Armierungselemente, welche die üblicherweise auch bei Schnellabbindern notwendige Ruhezeit durch ihre innere Stabilisierung zu steigern imstande sind. Indessen bringt das erfindungsgemässe Verfahren nicht nur in solchen Fällen Vorteile, wo ein rascher Arbeitsfortschritt oder -abschluss wichtig ist. Das Verfahren bietet für Baugrund- und Hangstabilisierungen Vorteile, wo es praktisch anwendbar ist.

Ansprüche

1. Verfahren zur Stabilisierung von weichen, feinkörnigen Böden zwecks Verbesserung ihrer Tragfähigkeit unter Verwendung von zement- und/oder kalk- sowie silikathaltigen Bindemitteln mit Flüssigkeitszugabe zur Erzielung eines weichen bis breiigen, tixotropen Zustandes für die Einmischung in ein Bodenmaterial-Bindemittel-Gemisch im Ortsmischverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bodenmaterial-Bindemittel-Flüssigkeitsgemisch Einzel-Armierungselemente beigeben und in diesem Gemisch gleichmässig suspendiert werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Armierungselemente höchstens der Dicke der zu stabilisierenden Bodenschicht entspricht und ihr Querschnitt im wesentlichen unter 12 mm² liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungselemente (7) beliebig geformte und beliebig biegbare stab- oder schnitzelartige Elemente sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungselemente (8) ringförmig geschlossene Gebilde sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungselemente (9) aus biegesteifem Material in Nadel- oder Stabform gestaltet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungselemente auf die Oberfäche der noch weichen, zu stabilisierenden Schicht aufgestreut und anschliessend eingedrückt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem gewachsenen Boden und der zu stabilisierenden Schicht eine bindemittelarme Basisschicht im gleichen Arbeitsgang erstellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die zu stabilisierende Schicht ein gitterartiges Flächengebilde eingebaut wird.

Zeichnung