Es sind Verfahren und entsprechende Vorrichtungen zur Verfestigung, Verdichtung und Anhebung durch Einspritzen expandierender Kunstharze bekannt welche für Böden gedacht sind die gewissen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind welche, z.B. von Gebäuden, von tragenden Bauwerken im Straßen- und Bahnbau, von Bauwerken des Zivilschutzes und dergleichen, ausgeübt werden. Diese Verfestigungsverfahren dienen wesentlich dazu, die Stabilität und oder die Tragfähigkeit des Bodens zu erhöhen, dessen mechanische Beständigkeit zu verbessern und eventuell eine Verdichtung zu erreichen welche das Anheben des Bodens und der Bauwerke welche in diesem gründen, bewirkt.
Die
Die gattungsgemäße
Weiters ist aus der
Die Praxis hat gezeigt dass die Dauer des Verdichtungs- und des Konsolidierungseffektes welcher durch die bekannten Verfahren erreicht wird eng an die Beibehaltung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der eingespritzten Kunstharze, an die "korrodierende Wirkung" und/oder an die zersetzende Wirkung der im Boden vorhandenen Wirkstoffe und/oder an die nachfolgenden Veränderungen in der Bodenstruktur, welche z.B. durch Einsickerungen oder durch Vibrationen bewirkt werden, gebunden ist. In bestimmten Fällen hält also das Gleichgewicht welches zwischen den, vom sanierten Bauwerkes verursachten, Belastungen und den Reaktionskräften des, durch das Einspritzen von expandierenden Kunstharzen, verdichteten und konsolidierten Bodens, zeitlich nicht an, wobei unter Umständen Bedingungen geschaffen werden bei welchen die folgenden Setzungen des Bodens nicht mehr von der Struktur und der Bestimmung des Bauwerkes tragbar sind.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen welche für die Konsolidierung von Böden und die Stabilisierung der Fundamente von Bauwerken oder Bauelementen geeignet ist, wobei die Böden und Fundamente, welche die andauernden und unvorhergesehenen Belastungen eines Bauwerkes aufnehmen derart an den Boden weiterleiten, dass die Stabilisierung auch, infolge physikalischer, chemischer und/oder geologischer Veränderungen welche im Zeitablauf, innerhalb der eingespritzten Kunstharzmasse und/oder in der konsolidierten und/oder verdichteten Bodenmasse, auftreten können, sichergestellt ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass die Aufnahme der obgenannten andauernden und unvorhergesehenen Belastungen eines Bauwerkes, außer vom, durch Einspritzen von expandierenden Kunstharzen, konsolidierten und/oder verdichteten Boden, zusätzlich von einer metallischen Bewehrung, welche einerseits mit dem besagten Fundament oder mit den Strukturelementen verbunden ist und anderseits, auf zeitlich anhaltende effiziente Weise, von den Fußenden der Bewehrungsstäbe und durch den Scherverbund längs dieser Bewehrungsstäbe getragen wird, erfolgt.
Erfindungsgemäß erfolgt die Einspritzung der expandierenden Kunstharze nicht über die üblichen, eher dünnwandigen und glatten Kupfer- oder Kunststoffrohre sondern mittels bekannter hohler, vorzugsweise stark belastbarer, Ankerstäbe aus Stahl, z.B. vom Typ "DYWIDAG", ohne jedoch den Einsatz anderer, eventuell nicht metallischer, Werkstoffe, wie z.B. faserverstärkte Kunstharze oder Karbon, auszuschließen. Die Ankerstäbe werden in Bohrungen welche das Fundament durchdringen, eingeführt. Diese Stäbe welche vorzugsweise selbst, zwecks Ausführung der Bohrlöcher, mit Bohrkrone versehen sind, sind erfindungsgemäß entlang ihrer Längserstreckung mit Einspritzbohrungen versehen über welche eine Einspritzung ins Erdreich in unterschiedlichen Tiefenlagen durchführbar ist. Die Länge der Stäbe ist derart bemessen, dass diese mit ihrem oberen Ende mindestens etwas, über die im Fundament vorgesehene Bohrung vorstehen. Die Einspritzung der Kunstharze in unterschiedlichen Tiefenlagen und in unterschiedlichen Zeitabständen kann über bekannte oder erfindungsgemäße Verschlussvorrichtungen, bzw. über kalibrierte oder gesteuerte Ventile, erfolgen welche an den Einspritzbohrungen der hohlen Ankerstäbe vorgesehen sind. Die Praxis hat gezeigt, dass auf vorteilhafte Weise die Steuerung des Austrittes der Kunstharze durch die Einspritzbohrungen an den hohlen Ankerstäben in unterschiedlichen Tiefenlagen durchführbar ist indem die Einspritzung der Harze über ein eigenes Einspritzrohr (vorzugsweise aus Kupfer) erfolgt welches innerhalb der besagten hohlen Ankerstange längsverschiebbar ist. Die Einspritzung der Kunstharze erfolgt dabei indem diese zuerst aus den Einspritzbohrungen am unteren Ende der Ankerstange austreten, die folgenden Einspritzungen erfolgen in einer höheren Tiefenlage, über die nächst höher vorgesehenen Einspritzbohrungen, indem das innere Rohr jeweils progressiv mit seinem unteren Ende nach oben gezogen wird und jeweils eine höhere Position zu den in einer bestimmten Tiefenlage angeordneten Einspritzbohrungen an der Ankerstange einnimmt.
Erfindungsgemäß werden die Einspritzbereiche in den einzelnen Tiefenlagen durch Dichtungs-Manschetten begrenzt welche den Ringraum zwischen der Bohrlochinnenfläche und der Ankerstangenaußenfläche abdichten und einen Rückfluss des eingespritzten Harzes nach oben verhindert. Diese Manschetten, z.B. aus Schaumgummi, sind jeweils, in Längserstreckung des Ankerstabes, zwischen den Einspritzbohrungen der jeweiligen Tiefenlage, fest an der Ankerstange angebracht und legen sich elastisch an der Bohrlochinnenfläche an. Die Ankerstange kann weiters mit elastischen Abstandselementen versehen werden damit möglichst eine koaxiale Position des Ankerstabes innerhalb des Bohrloches gesichert ist. Nach der, durch die Einspritzung, Aufschäumung und Aushärtung des Kunstharzes, erreichten Verfestigung und/oder Verdichtung des Bodens, wird die Festlegung der oberen Enden aller Ankerstäbe am Fundament durch "Eingießen" spezifischer Haft-Kunststoffe, Einspritzmörtel oder Flüssigmörtel in den Freiraum, zwischen dem oberen Bereich der hohlen Ankerstange und der Innenwand des entsprechenden Bohrloches im Fundament, durchgeführt. Erfindungsgemäß kann weiters am oberen Ende der Ankerstange, welche sich durch die Bohrung im Fundament erstreckt, eine Gewindemuffe oder eine Mutter aufgesetzt werden welche derart bemessen sind, dass diese eine Position innerhalb des Bohrloches im Fundament einnehmen können um durch das "Eingießen" eine effiziente Verankerung der Ankerstange am Fundament zu erreichen. Die Erfindung schließt nicht aus, dass die durch "Eingießen" erreichte Verbindung zusätzlich durch bekannte metallische Befestigunselemente gesichert wird, oder dass die Verankerung ausschließlich über bekannte Befestigungsmittel, mit oder ohne den Einsatz bekannter Haftmittel, erreicht wird.
Die Anzahl der hohlen Ankerstäbe welche fest mit dem Fundament des Bauwerkes verbunden sind, sind in der Lage die andauernden und zufälligen Belastungen, am Fuß der Ankerstäbe und durch Scherverbund längs der selben Ankerstäbe, aufzunehmen, wobei der Scherverbund wegen der Verfestigung und/oder Verdichtung des Bodens infolge der Einspritzung und der Aufschäumung der Kunstharze besonders effizient ist, aber vor allem auch noch, infolge eventueller Veränderungen welche im Laufe der Zeit im Kunstharz, bzw. im Boden, stattfinden, weitgehend ausreichend ist.
Erfindungsgemäß ist mindestens jener Teil der Ankerstange, welcher den Querschnitt des Fundamentes durchquert, mit einem Außengewinde, mit ringförmigen Außenrillen oder mit einer anderen Profilierung versehen welche die Griffigkeit für die, zwischen der Ankerstange und der Innenwand der Bohrung im Fundament, eingegossenen oder eingespritzten Materialien (spezifische Haft-Kunstharze, Injektionsmörtel, Flüssigmörtel) erhöht; alternativ kann dieser Teil der Ankerstange mit einem Querschnitt oder einer Form versehen sein welche für die Festlegung an Trägerelementen geeignet ist welche ihrerseits am Fundament verankert sind. Vorteilhafterweise ist die gesamte Ankerstange mit Außengewinde oder mit einer Außenprofilierung versehen welche geeignet ist die Kontaktfläche mit dem verfestigten Boden zu erhöhen um einen erhöhten Scherverbund entlang der Ankerstange, welche vor allem axial wirkende Belastungen aufnimmt, zu erreichen.
Die Erfindung wird anschließend anhand eines, in den beigelegten Zeichnungen schematisch dargestellten, vorzuziehenden Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfestigung und/oder Verdichtung des Bodens, zwecks einer zeitlich andauernden Stabilisierung des Bodens und der Fundamente eines Bauwerkes, näher erklärt.
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Das Fundament 1a für eine durchgehende Mauer eines Bauwerkes nimmt die permanenten und zufälligen Belastungen des Bauwerkes auf um diese an den Boden 1 zu übertragen. Wenn dieser Boden wenig kompakt ist oder wenn, im Falle physikalischer und/oder geologischer Veränderungen, die Ausgewogenheit zwischen den Kräften welche auf das Bauwerk wirken und den Reaktionskräften des Bodens 1 nicht gegeben ist, so ist die Setzungen des Bodens nicht von der strukturellen Gegebenheit und von der Bestimmung des Bauwerkes (Neigung des gesamten Bauwerkes, Ausbildung von Rissen, usw.) tragbar. In diesen und in ähnlichen Fällen wird erfindungsgemäß die Sanierung des Bauwerkes durch Verfestigung des Bodens 1 und durch eventuelle Verdichtung zwecks Anhebung des Bauwerkes mittels Einspritzung expandierender Kunstharze, vorzugsweise in unterschiedlichen Tiefenlagen und in unterschiedlichen Zeitabschnitten, empfohlen; die besagte Verfestigung und eventuelle Verdichtung des Bodens werden jedoch erfindungsgemäß zusätzlich durch eine unterirdische Bewehrung gesichert und dadurch im Zeitablauf garantiert, wobei diese aus der Einführung von verstreut angeordneten Ankerstangen 5 geschaffen wird um die auf das Fundament 1a wirkenden Kräfte in die Bodentiefe weiterzuleiten. Diese Weiterleitung der Belastungen erfolgt auf kombinierte Weise durch den Scherverbund zwischen der Längsoberfläche der einzelnen Ankerstangen 5 und dem verfestigten Boden und durch die Tragkraft an den Fußenden der Ankerstangen welche in den Verfestigungskörpem eingegossen sind. Die Verbindung zwischen der unterirdischen Struktur der Ankerstangen 5 welche in den Festkörpern 5a, 5b, 5c im verdichteten Boden eingegossen sind erfolgt erfindungsgemäß mittels "Eingießen" von Haft-Harzen oder Einspritzmörtel ins Bohrloch am oberen Endabschnitt 5d, mittels Gewindemuffen oder Muttern oder/und mittels mechanischer Verbindung zwischen den besagten oberen Endabschnitten 5d der Stangen 5 und Tragelementen welche am Fundament befestigt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Phasen:
Die Durchführung der Bohrungen 3, von denen vorzugsweise ein Teil mit geneigter Achse 3i und ein Teil mit vertikaler Achse 3v oder mit einem anderen Neigungswinkel erstellt wird, erfolgt vorteilhafterweise mittels bekannter hohler Stangen 5 von der Art welche mit Bohrkrone und mit einem Außengewinde versehen ist und mittels Gewindemuffen verbindbar sind. Diese Stangen 5 sind erfindungsgemäß entlang ihrer Längserstreckung mit, unter sich beabstandeten, Einspritzbohrungen 5e versehen welche unterschiedlichen Tiefenlagen entsprechen. Die Bohrungen 3 können ausschließlich mit gleichzeitiger Durchbohrung 3b des Fundamentes, oder können teilweise oder alle in der unmittelbaren Nähe des Fundamentes oder an diesem anliegend, erstellt werden. Die hohle Ankerstange 5 mit Bohrkrone wird, nach Ausziehen aus der Bohrung 3, von der Bohrkrone entledigt und zwischen den einzelnen Tiefenlagen welche durch die Einspritzbohrungen 5e bestimmt sind mitDichtungs- Manschetten 6 zur Verhinderung des Rückflusses des Harzes und eventuell mit Zentriervorrichtungen 9, ausgestattet und anschließend wieder in die Bohrung 3 eingeführt wobei sichergestellt wird, dass das untere Ende der Stange 5 am Boden 3a des Bohrloches 3 aufliegt während das obere Ende 5d der Stange 5 um ein Stück vom Fundament vorsteht welches etwas länger ist als die eventuelle Anhebung 1 b des Fundamentes durch Verdichtung des Bodens 1 ausmacht. In die hohle Stange 5 welche in der Bohrung 3 eingeführt ist wird anschließend ein gleitendes P, R Einspritzrohr 16 eingeführt welches eine entsprechende Länge aufweist so dass die tiefsten Einspritzbohrungen 5e am Endbereich der Sange 5 nicht verschlossen werden; mit dem Einspritzrohr 16 in dieser Position erfolgt die Einspritzung C des expandierenden Harzes wodurch der untere Verfestigungskörper 5a ausgebildet wird. Anschließend können die folgenden Einspritzungen, entsprechend den unterschiedlichen Tiefenlagen, durch Herausziehen R des Einspritzrohres 16 und Ausbildung der Verfestigungskörper 5b, 5c, durch das expandierende Kunstharz, über eine oder mehrere Serien von hohlen Ankerstangen 5 erfolgen von welchen jede Serie eine unterschiedliche Anzahl von Einspritzbohrungen 5e aufweist welche entsprechend unterschiedlicher Tiefenlagen angeordnet sind. Die hohlen Ankerstäbe 5 einer dieser Serien können erfindungsgemäß ausschließlich am unteren Endbereich mit Einspritzbohrungen versehen sein, in diesem Fall wird natürlich die Einspritzung C des Kunstharzes ohne Einspritzrohr 16, direkt über den Hohlraum der Ankerstange 5 durchgeführt.
Die Einspritzungen in den unterschiedlichen Tiefenlagen können auch durch bekannte Verschlussvorrichtungen erreicht werden welche an den einzelnen Einspritzbohrungen 5e der Ankerstangen 5 vorgesehen sind. Diese Verschlussvorrichtungen geben den Durchfluss der Einspritzmasse frei sobald ein bestimmter Druck innen im Hohlraum der Ankerstange 5 erreicht ist; die Verschlussvorrichtungen sind je nach Tiefenlage, bzw. je nach gewünschter Reihenfolge der Einspritzung in den unterschiedlichen Tiefenlagen, tariert oder über "Reißleinen" betätigbar.
Die Messung der Verdichtung des Bodens mit Anhebung 1 b des Fundamentes und/oder die eventuelle Messung des Verfestigungsgrades und/oder der Ausdehnung der Verfestigung des Bodens während der Einspritzung und der Expansion des Kunstharzes und/oder nach Abschluss der Einspritzungen, ist Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Nach Anhebung 1b des Fundamentes 1a um das erforderliche Maß und/oder nach Erreichung der erforderlichen Verfestigung des Bodens 1, erfolgt erfindungsgemäß die Festlegung 15, 15a zwischen dem Fundament 1a und den einzelnen Ankerstäben 5 durch Einspritzen oder "Eingießen" A spezifischer Haft-Kunstharze, Einspritzmörtel oder Gießmörtel, zwischen dem oberen Endbereich 5d der Stange 5 und der entsprechenden Innenwand der Bohrung 3b im Fundament 1a oder durch mechanische Verbindung zwischen dem Endbereich 5d der Stäbe und dem Fundament 1a mittels bekannter Befestigunselemente, ohne eine kombinierte oder doppelte Festlegung durch mechanische Verbindung und durch "Eingießen" auszuschließen. Erfindungsgemäß kann die Festlegung durch "Eingießen" besonders widerstandsfähig ausgeführt werden indem an jenem Teil der Ankerstange welcher, innerhalb der Bohrung 3b, das Fundament 1a durchdringt, eine Mutter oder ein anderes Element angebracht wird welches größeren Querschnitt als jenen der Stange 5 aufweist und welches im eingegossenen Material 15 "eingebettet" wird.
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