Будаўніцтва — маніторынг глыбокай раскопкі Жывая мадэль

Вы — інжынер пляцоўкі на раскопцы глыбінёй 15 m, замацаванай пяццю ўзроўнямі распорак, з будынкам у 6 m за сцяной. Кожны мадэляваны дзень мадэль капае з вашай хуткасцю, дазваляе брыгадзе ўсталяваць наступны ўзровень распорак, выгінае сцяну ў залежнасці ад таго, наколькі яна не падпёртая, распаўсюджвае рух у мульду асадкі пад будынкам і паніжае грунтавыя воды там, дзе вы адкачваеце. Вы бачыце тое, што бачыць пляцоўка: паказанні інклінометра і асадкі з памылкай вымярэння. Толькі навучальная сімуляцыя — лічбы ілюстрацыйныя, і гэта не парада па інжынерным праектаванні.

Чаму вы навучыцеся

Сімулятар

Час 0 дз
Глыбіня раскопкі 0,0 m · Усталяваныя ўзроўні распорак 0/5 · Непадпёртая вышыня 0,0 m · Асадка будынка (паказанне) 0,0 mm · Прагін сцяны (інклінометр) 0,0 mm · Вуглавая дэфармацыя будынка 0,00 ‰ · Каэфіцыент запасу супраць выпірання дна 1,97✓ 0,0 mmСцяна (інклінометр)✓ β 0,00 ‰✓ 0,0 mmСуседні будынакНапорны воданосны гарызонтКаэфіцыент запасу супраць выпірання дна ✓ 1,97Глыбіня раскопкі 0,0 m · 0/5✓ Асадка будынка (мадэль) 0,0 mmАсадка ад кансалідацыі 0,0 mm⇣ Адкачка пры водапаніжэнні 0 · ⇡ Падпітвальныя свідравіны 0 m³/hПаніжэнне ўзроўню пад будынкам 0,0 m
  • Распорка ўсталявана
  • Распорка ўсталёўваецца
  • Забой, выкапаны лішне
  • Ніжэй за ўзровень трывогі
  • Дасягнуты ўзровень трывогі
  • Дасягнуты ўзровень дзеяння
  • Грунтавая берма
  • Напор воданоснага гарызонту

Кіраванне

Метраў глыбіні, якія здымаюцца за дзень. 0 спыняе экскаватары.

Спыняць капанне на 0,5 m ніжэй за наступны ўзровень распорак, пакуль гэтая распорка не ўсталявана.

Намаганне дамкрата, зафіксаванае ў кожнай новай распорцы, як доля яе разліковай нагрузкі. Дзейнічае на распоркі, што ўсталёўваюцца ад гэтага моманту.

Пакіньце або насыпце грунт у падножжа сцяны: ён падпірае адкрыты забой (−2 m непадпёртай вышыні), але пакуль ён там, капаць нельга.

Адкачка са свідравін унутры катлавана. Зніжае напор воданоснага гарызонту пад днішчам — і вакол яго.

Вада, якая закачваецца каля будынка, каб утрымліваць грунтавыя воды пад ім высока. Гэта паўторна выкарыстаная адпампаваная вада, а нагнятальныя свідравіны замуляюцца, таму назад можна вярнуць не больш за 55 % адпампаванага расходу. Акрамя таго, гэта працуе супраць водапаніжэння.

Паказчыкі

Асадка будынка (паказанне)
0,0mm
норма
Прагін сцяны (інклінометр)
0,0mm
норма
Вуглавая дэфармацыя будынка
0,00‰
норма
Каэфіцыент запасу супраць выпірання дна
1,97
норма
Асадка будынка (мадэль)0,0 mm
Прагін сцяны (мадэль)0,0 mm
Змяненне асадкі за дзень0,0 mm/d
Глыбіня раскопкі0,0 m
Непадпёртая вышыня0,0 m
Нагрузка на ніжнюю распорку0 %
Усталяваныя ўзроўні распорак0
Паніжэнне ўзроўню пад катлаванам0,0 m
Паніжэнне ўзроўню пад будынкам0,0 m
Асадка ад кансалідацыі0,0 mm
Дзён з лішнім выкопваннем0 d
Адпампавана вады на дадзены момант0 10³ m³
Фактычна закачанае падпітванне0 m³/h

Тэндэнцыя

Асадка будынка (паказанне): — mm60,0-5,0

Крызісныя сцэнарыі

Узровень 1 · Капайце ў тэмпе распорак

Экскаватары могуць капаць 0,8 m у дзень, і графік патрабуе такога тэмпу. Брыгадзе распорак патрэбна два дні на ўзровень, і пачаць яна можа, толькі калі выемка ніжэй за яго на 0,5 m, таму на поўным тэмпе забой апераджае замацаванне. Уладальнік будынка за сцяной пагадзіўся на ліміт асадкі 12 mm. Дасягніце адзнакі 15 m за 40 дзён, трымайце будынак ніжэй за 12 mm, а прагін сцяны — ніжэй за 15 mm.

  • Асадка будынка ніколі не вышэй за 12 mm
  • Прагін сцяны ў канцы ≤ 15 mm
  • Дасягнуць глыбіні 15 m

Узровень 2 · Водапаніжэнне пад суседам

На глыбіні 22 m залягае напорны пясчаны воданосны гарызонт. Ніжэй за прыкладна 9 m грунт, што застаецца пад днішчам, ужо не можа ўтрымаць напор яго вады, таму па меры паглыблення катлавана гарызонт трэба адпампоўваць — каэфіцыент запасу супраць выпірання дна ўвесь час не менш за 1,2. На 8-ы дзень брыгада водапаніжэння адкрывае свідравіны на 450 m³/h. Пад суседнім будынкам над воданосным гарызонтам ляжыць пласт гліны. Дазвол на скід дапускае 280 тыс. m³ на ўсю работу. Дасягніце 15 m за 45 дзён пры асадцы будынка ў канцы ў межах 30 mm.

  • Каэфіцыент запасу супраць выпірання дна ніколі не ніжэй за 1,2
  • Асадка будынка ў канцы ≤ 25 mm
  • Усяго адпампавана ≤ 280 тыс. m³ (дазвол на скід)
  • Дасягнуць глыбіні 15 m

Узровень 3 · Сталь спазняецца

Падрадчык капае бесперапынна па 0,7 m у дзень без кропак спынення, і брыгада распорак пакуль паспявала. На 15-ы дзень, калі забой ужо на чацвёртым узроўні распорак, сталь для гэтага ўзроўню затрымліваецца на тыдзень. Распоркі 1–3 усталяваныя. Утрымлівайце нагрузку на ніжнюю распорку ў межах разліковай, а прагін сцяны — ніжэй за 30 mm, і ўсё роўна дасягніце 15 m да 30-га дня.

  • Нагрузка на ніжнюю распорку ніколі не вышэй за 100 % разліковай
  • Прагін сцяны ў канцы ≤ 30 mm
  • Дасягнуць глыбіні 15 m

Аснова — мадэль за лічбамі

Кожнае суадносіна, якое выкарыстоўвае сімулятар, з яго крыніцай. Пастаянныя, пазначаныя як дапушчэнні, — ілюстрацыйныя каліброўкі.

Жорсткасць сістэмы паводле Клафа і О'Рурка: жорсткасць сцяны на выгіб, падзеленая на чацвёртую ступень непадпёртага пралёта.
S = EI / (γw · h⁴), h = depth − lowest strut level (unsupported height)[3][5]
Кожны метр капання дадае прагін з хуткасцю, якая расце па меры змяншэння жорсткасці сістэмы; папярэдняе напружанне яго змяншае, адкрыты забой глыбей за кропку спынення паступова зрушваецца.
Δδh = ΔH · ρ(S) · (1 − 0.8·preload); ρ(%) = clip(2.3 − 0.7·log10 S, 0.12, 1.6); creep 2.5 mm/d per m of h above 3.5 m (berm −2 m)[3][5][10]Ілюстрацыйныя велічыні для навучання, а не значэнні для якой-небудзь рэальнай пляцоўкі.
Асаджэнне грунту за сцяной: каля 0,75 × прагіну сцяны, плоскае да 0,75 H, згасае да нуля на 2 H (агінальная для мяккай і сярэдняй гліны).
δv,max = 0.75·δh,max; δv(d) = δv,max for d ≤ 0.75H, × (2 − d/H)/1.25 to 0 at d = 2H[3][4]
Грунт, які застаўся пад днішчам, павінен вагой перавышаць напорны ціск вады, што ціскае ўверх з воданоснага гарызонту.
FS = γt·(z_aq − H) / (γw·(z_aq − z_wt − s_in)); required ≥ 1.2[10]
Устойлівы паток Тыма: паніжэнне ўзроўню падае з лагарыфмам адлегласці ад свідравін; падпітвальныя свідравіны даюць супрацьлеглы эфект.
s(r) = Q/(2πT)·ln(R/r) − Q_r/(2πT)·ln(R/r_r) (steady radial flow, superposition; heads lag the steady state with τ = 1.5 d); Q_r ≤ 0.55·Q[9]Ілюстрацыйныя велічыні для навучання, а не значэнні для якой-небудзь рэальнай пляцоўкі.
Аднамерная кансалідацыя Цагі: паніжаны ціск вады распаўсюджваецца ў гліне на працягу дзён, і гліна ўшчыльняецца па меры росту эфектыўнага напружання.
∂u/∂t = c_v ∂²u/∂z²; Δσ' = −Δu; settlement = Σ m_v·Δσ'·Δz (unloading: 0.1·m_v)[8]
Вуглавая дэфармацыя: розніца асадак па будынку, падзеленая на яго даўжыню, у параўнанні з межамі Бьерума.
β = (s_near − s_far) / L; 1/500 = 2 ‰ (limit where cracking is not acceptable), 1/300 = 3.3 ‰ (first cracking)[6][7]
Бачны зямны ціск Пека на самую ніжнюю распорку па яе даўжыні ўплыву; чым глыбей адкрыты забой, тым больш яна нясе.
P = 0.3·γ·H · (half span above + h) · 5 m ≥ preload; shown as % of design load 2400 kN[2]Ілюстрацыйныя велічыні для навучання, а не значэнні для якой-небудзь рэальнай пляцоўкі.
Паказанні прыбораў маюць памылку вымярэння — глядзіце на тэндэнцыі, а не на асобныя значэнні.
reading = true value + N(0, σ); σ = 0.5 mm (settlement points), 1.0 mm (inclinometer)[1]Ілюстрацыйныя велічыні для навучання, а не значэнні для якой-небудзь рэальнай пляцоўкі.
Пастаянныя, якія выкарыстоўвае мадэль
final depth 15 m · struts at 1, 4, 7, 10, 13 m, 5 m apart along the wall, crew starts 0.5 m below a level and needs 2 days · over-excavation allowance 4 m unsupported · wall 0.8 m concrete (EI = 1.28 GN·m²/m per m) · γ = 19 kN/m³ · building 12 m long, near edge 6 m behind the wall · water table 1 m · aquifer T = 300 m²/d, R = 400 m, excavation radius 12 m, recharge line 4 m behind the wall (effective radius 3 m) · clay 5 m above the aquifer, m_v = 0.2 /MPa, c_v = 0.15 m²/d · ground factors lognormal (σ 0.10 wall, 0.15 m_v, 0.20 c_v) · base unworkable below FS 1.05 · recharge capped at 55 % of the water pumped (supply from the discharge, well clogging)Ілюстрацыйныя велічыні для навучання, а не значэнні для якой-небудзь рэальнай пляцоўкі.

Выпадковасць: генератар mulberry32 з seed; выкарыстаныя размеркаванні — раўнамернае, экспаненцыяльнае (адваротная CDF), нармальнае (Box–Muller), Пуасона (Knuth). Seed паказваецца і яго можна перадаваць.

Крыніцы

  1. R. B. Peck — Advantages and limitations of the observational method in applied soil mechanics (Ninth Rankine Lecture) — Géotechnique 19(2), 171–187, 1969
  2. R. B. Peck — Deep excavations and tunneling in soft ground (apparent earth-pressure diagrams for braced cuts) — Proc. 7th ICSMFE, Mexico City, State-of-the-Art Volume, 225–290, 1969
  3. G. W. Clough, T. D. O'Rourke — Construction induced movements of in-situ walls (system stiffness EI/(γw·h⁴), settlement envelopes) — ASCE Geotechnical Special Publication 25, Design and Performance of Earth Retaining Structures, 439–470, 1990
  4. A. I. Mana, G. W. Clough — Prediction of movements for braced cuts in clay — Journal of the Geotechnical Engineering Division 107(GT6), ASCE, 1981
  5. A. Gens — Deep excavations: empirical methods for movements; procedures to reduce movements (early bracing, preloading, avoiding over-excavation) — NZ Geotechnical Society lecture notes, 2010
  6. L. Bjerrum — Allowable settlement of structures (angular distortion 1/500, 1/300, 1/150); summarised in NGI report "Skadegrenser" — Proc. European Conf. SMFE Wiesbaden, Vol. II, 135; NGI, 1963
  7. M. D. Boscardin, E. J. Cording — Building response to excavation-induced settlement — Journal of Geotechnical Engineering 115(1), 1–21, 1989
  8. Evolution of primary consolidation settlement with time — Terzaghi 1-D consolidation, Tv = c_v·t/H_dr², U–Tv relation (Fundamentals of Foundation Engineering, §4.8) — University of Newcastle (open textbook)
  9. Steady-state pumping: the Thiem equation s = Q/(2πT)·ln(R/r); superposition of wells — University at Buffalo, Aquifer hydraulics notes
  10. C.-Y. Ou — Deep Excavation: Theory and Practice (upheaval / uplift check against a confined aquifer, dewatering, strut preload) — Taylor & Francis, 2006

Хто гэтым займаецца па прафесіі

Навучальная мадэль — не для аперацыйных рашэнняў. Рэальныя аб'екты каліброўваюць кожную пастаянную пад сваё абсталяванне і даныя.