专利名称：一种处理主要由淤泥和/或有关材料组成的土层的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种处理土层的方法，该处理的土层主要是由淤泥和/或有关材料组成的，该方法的目的是通过向土层注入粘结剂使土层稳定化。
这里的“淤泥和/或有关材料”概念是指水池或深度变化大的场地的地层中的各种土质。
这种类型的地层常形成例如海湾、溪河、船坞、水库、渠闸引水渠或活动船坞的一部分。用来倾倒淤泥的地方和沼泽也包括在其中。
本发明的应用领域，首先是在所述的由淤泥或技术上等同的材料组成的淤泥层中，形成稳定的地基层。进一步的应用领域是制成耐受各种形式腐蚀的地层，堤坝等。
通过加入粘结剂稳定这些特殊土层的技术是公知的。
使用得最普通的一种方法是用转动推土铲铲刮类似淤泥形式的土壤，接着向被打松的土壤中注入硬化粘结剂。
这里的转动推土铲是指用来打松土壤的机械。
欧洲专利申请0541812描述了一种技术，它分两步施行，第一步是注入高压水流，第二步是注入自固化材料。在这种两步程序中，要弄松的土壤不属于淤泥型土壤，因为它们含水量高不容再注入水，这些水会使自固化材料的作用无效。
欧洲专利申请0151526描述了另一种两步法。它先在土壤上钻一个竖直的孔或洞，然后把一个由通筒构成的插入设备插入孔中，用来注入所需的固化剂。
当土层主要由淤泥或有关形式的土壤组成时，机械松土也具有如下的明显缺点a)要求的机械力矩非常大;
b)相对而言，设备的支撑结构较重;
c)在这种情况下，因为切削力很大，刀磨损快决定了磨损率很大;
d)转动刀头被卡住的危险很大;
e)假如刀被分成切削部分和搅拌部分，那么它们的结构和驱动方式会很笨重;
f)由于设备的作用范围主要受到刀长的限制，所以地层中受处理的土壤区域基本上是不可变。
本发明的目的是提供一种处理土层的方法和一种相匹配的设备，该方法使用的工具轻，处理能力强，也就是每单位时间处理的土壤总量大，本发明还有一个很大的优点，它处理的表面区域是可变的，因此处理的淤泥体积也是可变的。
为了实现本发明的上述目的，必要时，在要求稳定化的区域中，通过高压水流的切割作用，使所述的形成淤泥层的材料松散，同时将至少一种硬化粘结剂加入到松散的材料中，并借助叶片对其进行机械混合。
本发明的一个非常有特色的特点是，高压喷注的流体的特性是受到控制的，以便使所述的材料被切割和部分沉积并使所述的流体以转动的模式注喷，同时提供使这些材料均匀化所必要的混流作用。
在本发明的第一个实施例中，所述的粘结剂是以同上面提到的转动模式相逆的方式加入到松散的土壤中的。
在另一个可能的实施例中，所述的粘结剂是借助高压射流注喷到松散材料中的。
在再一个实施例中，所述的粘结剂在借助高压射流的高压注入的同时，还以较低压力及任意的角度被加入到松散材料中。
本发明还涉及到本发明的方法得以实现的设备。
下面将对一种处理主要由淤泥和/或有关材料组成的土层的方法和设备进行说明，通过这一说明对本发明的细节和优点将会更加清楚。该说明是通过例子给出的，但并不是对发明的限制。下面对有关附图进行说明。
图1是本发明的设备转动头的透视立体图。
图2是一个浮动平台的前视示意图，该平台是实践中为实施本发明的方法而设置的。
图3-6表示几种可能的土壤处理模式的示意图。
为解决如本说明书中前面部分中描述的给定任务，开发了附图所示的方法。本发明的方法和由此而产生的设备能够将淤泥或有关材料组成的土层处理到所要求的深度，所以既能实现使这些土层稳定化的目的，又能完成在其中形成桩或地基的任务。
本发明和现有技术的本质差别在于本发明是借助以高压向土层中喷注流体来对地面进行切割、部分沉积和部分混合处理的。此处的高压是指200到1000巴的压力。这种流体可以是加有粘结剂的水或者空气(也可以是两者的任意组合)。
因此，在本发明中粘结剂是立即注入到松散的地面中的。很显然，高压或极高压下的喷注首先为了达到切开并使土壤混合的目的。高压喷注实际上是以转动的模式进行的，然后在必要时可以在较低的压力下，在与高压喷注相逆的方向加入粘结剂。也可以在与高压喷注相同的方向上加入粘结剂，但也是以低压的方式进行的。
本发明最显著的特点是，通过主要采用高压喷注流体的切割力，消除了担心快速磨损切割工具，即使有，在本发明中也只起次要作用。
此外，也很显然，这种方法有很大灵活性，因为在任何时刻都可以改变使用的压力，这样高压喷注流体影响的区域，在任何时刻都能适应需要。
图1中表示出了一种能很好实现上述目的的设备。它包括有一根轴1，它的整个长度可以转动，或者需要时，仅使其头部即下部转动。
轴1的底部至少有一翼叶片2，它被设计用于喷注高压流体。流体通过以附图标号3表示的小孔，以高压或极高压喷射出去。
具有叶片2的轴1沿图中箭头4所示的方向转动。两个具有小孔3′的部件5与两个叶片2相配合，用于在低压下(最大到例如50巴)，主要在同时叶片2转动相反的方向上加入粘结剂，这样，使粘结剂基本上都提供给切割开的要处理的土壤。
采用的粘结剂可以是水泥、膨润土、飞灰、石灰、沙浆，衍生的水泥类物质，凝胶、聚合物或某些材料的组合。把这类粘结剂加到已经切割开的土壤中，并通过喷注高压流体使其均匀化。
在给定的条件下，与高压喷注一起也喷注粘结剂可能是很有效的。本方法的这种变型和其它变型正是其高度灵活性的证明。
在说明书附图中，叶片2和与其配合的匹配部件5的代表性形状是管状的。从结构的观点来看，管状叶片和配合的管状部件5具有很大的优点，因为这样形成的叶片和与其相连的部件在用于引导流体和粘结剂方面是十分优良的。
在一个完全不同的实施例中，叶片是由型钢或小梁构成的，在上面固定有用于喷注流体和粘结剂所需要的管线。
所述叶片的结构是由它们的各种功能决定的。这些功能基本上可以归纳如下a)切割和混合大量的土壤;
b)在可调距离范围内喷注各种粘结剂组合物;
c)安放和支撑流体和粘结剂管线;
d)在有要求的情况下，自身构成上述C项提到的管线。
叶片从转动头壁的方向起算的长度当然要依据使用目标而定。实践中，叶片的总长度在大约0.5米到大约5米之间。
根据结构上的要求，如图1所示设备具有一个加强装置6。该装置可以是任何形状的，它并不形成发明的本质特点。轴1下面的部分是其工作部分，该轴可以在两个方向以不同的速度转动。同样，它还可以用不同速度上、下运动。轴本身还可以用作一根管道，使输送流体的通道与其相结合。轴1本身能够驱动叶片，但是显然本设备带有转动头的叶片，可以形成轴上的一个独立的组成部件。
尽管说明书中数处提到转动头，其实它在技术上是同一根以整个长度转动的轴等同的。所以选择轴和转动头的合适的结构绝不会背离本发明的原理。
设备的轴1可以从高架平台或浮船上，或者当设备是例如车辆的一部分时，从近陆地侧以相对土壤表面任意角度的方式设置。
图2表示了一个浮动平台的例子，浮台平台7具有定位桩8和许多不可缺少的组成部件，例如一个筒仓9，一个泵和数个驱动单元10，以及一个塔架11，轴1被安装在该塔架上。这些组成部件虽然在执行本发明的方法中是不可缺少的。然而并非是设备的固有部件。图中的标号12表示已经处理过的区域，而标号13则表示正在被处理的区域。
当土层必须被稳定到给定的深度，并且在其中或其上必须架设支撑结构，特别在此后要建设例如堤坝的情况下，可以采用几种方式进行作业。
图3和4分别表示三角形和四方形分布模式，其中在桩14之间是未处理过的区域。
图5显示了所谓墙型处理土层，其中在相邻的两排桩15之间是未处理过的区域。
图6表示被处理的土层覆盖较大区域的情况，在给定的区域内土层被“充分地”处理，多个桩16完全占据了相关的区域。
当考虑图5和图6中所示的桩的结构时，应当注意建成的桩15，16是凝固在一起的。这当然是可能的，因为喷注在这里的粘结剂只能逐渐硬化，几个相邻的桩事实上会部分地凝固在一起。
为实现其非常明确的目的，本发明采用高压射流来实现上述将构成土层的材料割开，使之部分沉积和混合的功能。其结果是省去了通常易于被快速磨损的切割工具。
在用这种技术处理过的土层中加入适当的粘结剂。加入粘结剂的操作方式有下面几种a)第一种通过专门用于这一目的的小孔来加入粘结剂，这些小孔允许粘结剂和作为粘结剂的输送载体的流体在较低的压力下通过上述小孔。以低压(最大约为50巴)加入粘结剂是在与高压射流喷注的方向相逆的方向进行的。所采用的低压足以使流体通过和分布开来，并且将粘结剂输送到割开的材料中;
b)在某些情况下，作为一种实现稳定化的功能。粘结剂也可以与高压射流一起喷注入要处理的材料中。因为，粘结剂要求用流体输送，所以粘结剂是同高压(100到200巴)流体一起喷注的。
上面的说明非常清楚地显示了本方法的高度的灵活性，单位时间内较大的处理能力，并且不需要通常情况下用于切割、堆积和使土壤混合的机械切割工具。
由上面对本发明的方法和设备的详细说明能够导出，由清楚地表现出发明特色的本方法产生的优点优于现有技术。这些优点可以总结如下高压射流极大地降低了对高力矩的需要，这种高力矩是当仅使用机械装置时，转动混合装置所必需的。当混合叶片在最佳条件下工作时，已经被高压射流预切割、软化和打松的土壤材料能与自固化材料更充分地混合。
最后，通过对高压射流力的作用，土壤材料能够被打松的半径可以在大范围内变化，它使本方法具有极大的灵活性。
本发明决不只局限于此处描述的实施例，对其能够作出许多改进，这些改进都属于所附权利要求的保护范围。
例如，很显然，从高架平台或近陆地侧的车辆上应用本发明时，可以制造一种结构，它包含有多根装有叶片的转动轴管，由它来具体实施本发明。
权利要求
1.一种处理土层的方法，它处理的土层主要由淤泥和/或有关材料组成，它的目的是通过向这些土层喷注一种粘结剂使其稳定，该方法在特征在于在要求实施这种稳定化的区域中，通过高压压射流的切割作用使形成这些淤泥层的所述的材料松散，同时向这种被松散的材料中加入至少一种硬化粘结剂，并且借助叶片的机械动作和高压射流产生的混流作用使全部物料混合。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的粘结剂是在较低压力下，并且在与所述高压射流逆流的方向上，加入到所述高压射流打松散的材料中的。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过采用高压射流将所述的粘结剂喷注到需要被打松散的材料之中。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于所述的粘结剂是采用所述的高压射流在高压下喷注的，同时在与高压射流逆向上，以较低的压力加入到松散的材料中的。
5.按照权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于为了处理所述的部分切割和/或部分堆积的材料，对在高压下喷注的流体进行控制，并且所述的流体是按照转动的模式喷注的，由此产生要求的混流作用使这些材料均匀混合。
6.按照权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于使所述材料松散的射流的喷注压力在大约200到大约1000巴之间。
7.按照权利要求2或4所述的方法，其特征在于其中所说的较低压力是采用从1巴到大约50巴之间的压力。
8.按照权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于空气被用作所述的流体。
9.按照权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于水被用作所述的流体。
10.按照权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于水和空气被作作所述的流体。
11.按照权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于所述粘结剂是同所述的流体一起注入的。
12.按照权利要求1-11中任一项所述的方法，其特征在于至少有一种下列材料或它们的一种组合被用作粘结剂，即水泥，膨润土，飞灰，石灰，聚合物，沙浆，衍生的水泥类物质，凝胶。
13.一种用于处理土层的设备，它所处理的土层主要由淤泥和/或有关材料组成，其目标是通过向这些土层中加入粘结剂使其稳定化，该设备的特征在于它至少由一根轴(1)构成，该轴相对于土层表面的角度是可调节的，该轴至少在下端具有一个转动头，转动头上装有叶片(2)，一方面用于在压力下喷注流体打松组成土壤的有关材料，另一方面用于在较低压力下在逆向往松散的土壤中加入粘结剂。
14.按照权利要求13所述的设备，其特征在于所述叶片(2)的结构能在压力下喷注流体将材料打松，并且能在压力下喷注粘结剂。
15.按照权利要求13或14所述的设备，其特征在于所述叶片(2)的整个长度在大约0.5米到大约5米之间。
16.按照权利要求13-15中任一项所述的设备，其特征在于所述的叶片具有管示的形状，并且具有在高压下喷注流体和/或粘结剂的小孔。
17.按照权利要求13-15中任一项所述的设备，其特征在于所述的叶片是由型钢构成的，其上面附有在高压和/或低压下喷注流体和/或粘结剂的管线。
18.按照权利要求13-16中任一项所述的设备，其特征在于所述的每个管状的叶片上连接有一个管状部件，用于在较低压力下，在高压喷注的逆流方向上喷注带有粘结剂的流体。
19.按照权利要求13-18中任一项所述的设备，其特征在于所述的转动头具有加强装置(6)。
20.按照权利要求13-19中任一项所述的设备，其特征在于所述的轴(1)被安装成使其整个长度部可以转动。
21.按照权利要求13-20中任一项所述的设备，其特征在于所述的轴(1)被安装在浮动结构上。
22.按照权利要求13-20中任一项所述的设备，其特征在于所述的轴(1)被安装在浮动平台上。
23.按照权利要求13-20中任一项所述的设备，其特征在于所述的轴(1)形成一种结构的一部分，该结构可从近陆地侧的车辆上进行控制。
24.按照权利要求13-23中任一项所述的设备，其特征在于它具有一种结构，该结构装备有在不同深度操作的所述的轴(1)。
全文摘要
本发明涉及一种处理土层的方法和设备，该土层主要由淤泥和/或有关材料构成，处理的目标是通过向这些土层中注入粘结剂使其稳定化，发明的特点是在要实施稳定化的区域中通过高压射流的切割作用使形成这些土层的所述的材料松散，与此同时在该松散材料中至少加入一种硬化粘结剂。
文档编号E02D3/12GK1112177SQ9510357
公开日1995年11月22日 申请日期1995年3月24日 优先权日1994年3月25日
发明者菲利普·赫尔曼, 德克·斯迈特 申请人:水土服务公司, 斯迈特-保宁公司