🏗️ Bauwesen – Überwachung einer tiefen Baugrube Live-Modell
Sie sind der Bauleiter einer 15 m tiefen Baugrube, die durch fünf Ebenen Steifen ausgesteift wird, mit einem Gebäude 6 m hinter der Wand. Jeden simulierten Tag gräbt das Modell mit Ihrer Leistung, lässt die Steifenkolonne die nächste Ebene einbauen, biegt die Wand je nachdem, wie viel von ihr ungestützt ist, verteilt die Bewegung zu einer Setzungsmulde unter dem Gebäude und senkt das Grundwasser überall dort, wo Sie pumpen. Sie sehen, was die Baustelle sieht: Inklinometer- und Setzungsmesswerte mit Messfehler. Nur eine Lernsimulation – die Zahlen sind Beispielwerte, und dies ist keine Beratung zur Ingenieurplanung.
Das lernen Sie
Warum die ungestützte Höhe die Wandbewegung bestimmt: Die Steifigkeit fällt mit der vierten Potenz der Spannweite, sodass ein zu tief gegrabener Meter weit mehr kostet als ein rechtzeitig gegrabener.
Wie die Wasserhaltung die Baugrubensohle am Aufschwimmen hindert – und warum dieselbe Absenkung den Ton unter einem Nachbargebäude konsolidiert.
Die Beobachtungsmethode in der Praxis: Auslösewerte, verrauschte Messwerte und Eventualmaßnahmen, die geplant werden, bevor sie gebraucht werden.
Simulator
Zeit 0 d
━Steife eingebaut
┅Steife wird eingebaut
▼Zu tief ausgehobene Fläche
✓Unter der Warnschwelle
!Warnschwelle erreicht
‼Eingriffsschwelle erreicht
▤Erdberme
┄Druckhöhe des Grundwasserleiters
Regler
Abgetragene Tiefe in Metern pro Tag. 0 stoppt die Bagger.
Den Aushub 0,5 m unter der nächsten Steifenebene anhalten, bis diese Steife eingebaut ist.
In jede neue Steife eingebrachte Vorspannkraft, als Anteil ihrer Bemessungslast. Gilt für Steifen, die ab jetzt eingebaut werden.
Erdreich am Wandfuß stehen lassen oder anschütten: Es stützt die offene Fläche (−2 m ungestützte Höhe), aber solange es dort liegt, kann nicht gegraben werden.
Pumpen aus den Brunnen innerhalb der Baugrube. Senkt den Grundwasserdruck unter der Sohle – und um sie herum.
Wasser, das nahe dem Gebäude eingeleitet wird, um das Grundwasser darunter hoch zu halten. Es ist das wiederverwendete gepumpte Wasser, und Rückspeisebrunnen verstopfen, daher können höchstens 55 % des gepumpten Volumenstroms zurückgeführt werden. Es wirkt außerdem der Wasserhaltung entgegen.
Kennzahlen
Gebäudesetzung (Messwert)
0,0mm
normal
Wandverformung (Inklinometer)
0,0mm
normal
Winkelverzerrung des Gebäudes
0,00‰
normal
Sicherheitsfaktor gegen Sohlhebung
1,97
normal
Gebäudesetzung (Modell)
0,0 mm
Wandverformung (Modell)
0,0 mm
Setzungsänderung pro Tag
0,0 mm/d
Aushubtiefe
0,0 m
Ungestützte Höhe
0,0 m
Last der untersten Steife
0 %
Eingebaute Steifenebenen
0
Absenkung unter der Baugrube
0,0 m
Absenkung unter dem Gebäude
0,0 m
Konsolidierungssetzung
0,0 mm
Tage mit zu tiefem Aushub
0 d
Bisher gepumptes Wasser
0 10³ m³
Tatsächlich rückgespeistes Wasser
0 m³/h
Verlauf
Krisenszenarien
Stufe 1 · Im Tempo der Steifen graben
Die Bagger schaffen 0,8 m pro Tag, und das Programm verlangt dieses Tempo. Die Steifenkolonne braucht zwei Tage pro Ebene und kann erst beginnen, wenn der Aushub 0,5 m darunter liegt; bei vollem Tempo läuft die Aushubfläche der Abstützung also davon. Der Eigentümer des Gebäudes hinter der Wand hat einen Setzungsgrenzwert von 12 mm vereinbart. Erreichen Sie die 15 m tiefe Aushubsohle innerhalb der 40 Tage, halten Sie das Gebäude unter 12 mm und die Wandverformung unter 15 mm.
Gebäudesetzung nie über 12 mm
Wandverformung am Ende ≤ 15 mm
15 m Tiefe erreichen
Stufe 2 · Wasserhaltung unter einem Nachbarn
Ein gespannter sandiger Grundwasserleiter liegt in 22 m Tiefe. Ab etwa 9 m kann der unter der Sohle verbleibende Boden den Wasserdruck nicht mehr niederhalten, daher muss der Grundwasserleiter abgepumpt werden, während der Aushub tiefer geht – Sicherheitsfaktor gegen Sohlhebung durchgehend mindestens 1,2. An Tag 8 öffnet die Wasserhaltungskolonne die Brunnen mit 450 m³/h. Über dem Grundwasserleiter liegt unter dem Nachbargebäude eine Tonschicht. Die Einleitgenehmigung erlaubt 280 Tausend m³ für die gesamte Baumaßnahme. Erreichen Sie 15 m in 45 Tagen, mit einer Gebäudesetzung am Ende von höchstens 30 mm.
Der Bauunternehmer gräbt ohne Haltepunkte durchgehend mit 0,7 m pro Tag, und die Steifenkolonne hat bisher mitgehalten. An Tag 15, als die Aushubsohle bereits auf der vierten Steifenebene liegt, verzögert sich der Stahl für diese Ebene um eine Woche. Die Steifen 1–3 sind eingebaut. Halten Sie die unterste Steife innerhalb ihrer Bemessungslast und die Wandverformung unter 30 mm, und erreichen Sie trotzdem bis Tag 30 15 m.
Last der untersten Steife nie über 100 % der Bemessungslast
Wandverformung am Ende ≤ 30 mm
15 m Tiefe erreichen
Grundlage — das Modell hinter den Zahlen
Jede Beziehung, die der Simulator verwendet, mit ihrer Quelle. Als Annahmen gekennzeichnete Konstanten sind anschauliche Kalibrierungen.
Systemsteifigkeit nach Clough & O’Rourke: Biegesteifigkeit der Wand über der vierten Potenz der ungestützten Spannweite.
S = EI / (γw · h⁴), h = depth − lowest strut level (unsupported height)[3][5]
Jeder ausgehobene Meter fügt Verformung hinzu, mit einer Rate, die steigt, wenn die Systemsteifigkeit sinkt; Vorspannung senkt sie, eine offene Fläche tiefer als der Haltepunkt kriecht.
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]Beispielhafte Größenordnungen zu Lehrzwecken, keine Werte für eine reale Baustelle.
Setzung des Bodens hinter der Wand: etwa 0,75 × die Wandverformung, flach bis 0,75 H, auslaufend auf null bei 2 H (Hüllkurve für weichen bis mittelfesten Ton).
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]
Der unter der Sohle verbleibende Boden muss den gespannten Wasserdruck überwiegen, der vom Grundwasserleiter nach oben drückt.
Stationäre Strömung nach Thiem: Die Absenkung fällt mit dem Logarithmus des Abstands von den Brunnen; Rückspeisebrunnen bewirken den entgegengesetzten Effekt.
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]Beispielhafte Größenordnungen zu Lehrzwecken, keine Werte für eine reale Baustelle.
Eindimensionale Konsolidierung nach Terzaghi: Der abgesenkte Wasserdruck diffundiert über Tage in den Ton, und der Ton wird zusammengedrückt, wenn die effektive Spannung steigt.
Winkelverzerrung: Setzungsunterschied über das Gebäude geteilt durch seine Länge, gegenüber den Grenzwerten von Bjerrum.
β = (s_near − s_far) / L; 1/500 = 2 ‰ (limit where cracking is not acceptable), 1/300 = 3.3 ‰ (first cracking)[6][7]
Scheinbarer Erddruck nach Peck auf die unterste Steife über ihre Einflusshöhe; je tiefer die offene Fläche, desto mehr trägt sie.
P = 0.3·γ·H · (half span above + h) · 5 m ≥ preload; shown as % of design load 2400 kN[2]Beispielhafte Größenordnungen zu Lehrzwecken, keine Werte für eine reale Baustelle.
Messwerte der Instrumente enthalten Messfehler – lesen Sie Trends, nicht Einzelwerte.
reading = true value + N(0, σ); σ = 0.5 mm (settlement points), 1.0 mm (inclinometer)[1]Beispielhafte Größenordnungen zu Lehrzwecken, keine Werte für eine reale Baustelle.
Vom Modell verwendete Konstanten
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)Beispielhafte Größenordnungen zu Lehrzwecken, keine Werte für eine reale Baustelle.
Zufall: ein Mulberry32-Generator mit Seed; verwendete Verteilungen — gleichverteilt, exponentiell (inverse Verteilungsfunktion), normal (Box–Muller), Poisson (Knuth). Der Seed wird angezeigt und lässt sich teilen.
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
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
C.-Y. Ou — Deep Excavation: Theory and Practice (upheaval / uplift check against a confined aquifer, dewatering, strut preload) — Taylor & Francis, 2006