Rakentaminen — syvän kaivannon seuranta Reaaliaikainen malli

Olet työmaainsinööri 15 m syvässä kaivannossa, jota tukee viisi tukipalkkitasoa ja jonka seinän takana 6 m päässä on rakennus. Jokaisena simuloituna päivänä malli kaivaa tahdillasi, antaa tukiryhmän asentaa seuraavan tason, taivuttaa seinää sen mukaan, kuinka suuri osa siitä on tukematta, levittää liikkeen painumakuopaksi rakennuksen alle ja alentaa pohjavettä sinne, missä pumppaat. Näet sen, minkä työmaa näkee: inklinometri- ja painumalukemat mittausvirheineen. Vain opetussimulaatio — luvut ovat havainnollistavia, eikä tämä ole suunnitteluneuvontaa.

Mitä opit

Simulaattori

Aika 0 pv
Kaivusyvyys 0,0 m · Asennetut tukipalkkitasot 0/5 · Tukematon korkeus 0,0 m · Rakennuksen painuma (lukema) 0,0 mm · Seinän taipuma (inklinometri) 0,0 mm · Rakennuksen kulmamuodonmuutos 0,00 ‰ · Pohjannousun varmuuskerroin 1,97✓ 0,0 mmSeinä (inklinometri)✓ β 0,00 ‰✓ 0,0 mmNaapurirakennusPaineellinen pohjavesikerrosPohjannousun varmuuskerroin ✓ 1,97Kaivusyvyys 0,0 m · 0/5✓ Rakennuksen painuma (malli) 0,0 mmKonsolidaatiopainuma 0,0 mm⇣ Kuivatuspumppaus 0 · ⇡ Imeytyskaivot 0 m³/h · Alenema rakennuksen alla 0,0 m
  • Tukipalkki asennettu
  • Tukipalkkia asennetaan
  • Ylikaivettu pinta
  • Hälytysrajan alapuolella
  • Hälytysraja saavutettu
  • Toimenpideraja saavutettu
  • Maapenger
  • Pohjavesikerroksen painekorkeus

Säätimet

Päivässä poistettava syvyys metreinä. 0 pysäyttää kaivinkoneet.

Pysäytä kaivu 0,5 m seuraavan tukipalkkitason alapuolelle, kunnes kyseinen tukipalkki on asennettu.

Jokaiseen uuteen tukipalkkiin lukittu nostovoima, osuutena sen mitoituskuormasta. Koskee tästä lähtien asennettavia tukipalkkeja.

Jätä tai aseta maata seinän tyvelle: se tukee avointa pintaa (−2 m tukematonta korkeutta), mutta kaivaa ei voi, kun se on paikallaan.

Pumppaus kaivannon sisäpuolisista kaivoista. Alentaa pohjavesikerroksen painetta pohjan alla — ja sen ympärillä.

Rakennuksen lähelle imeytettävää vettä, joka pitää pohjaveden sen alla ylhäällä. Se on uudelleenkäytettyä pumpattua vettä, ja imeytyskaivot tukkeutuvat, joten enintään 55 % pumpatusta virtaamasta voidaan palauttaa. Se myös vastustaa kuivatusta.

Mittarit

Rakennuksen painuma (lukema)
0,0mm
normaali
Seinän taipuma (inklinometri)
0,0mm
normaali
Rakennuksen kulmamuodonmuutos
0,00‰
normaali
Pohjannousun varmuuskerroin
1,97
normaali
Rakennuksen painuma (malli)0,0 mm
Seinän taipuma (malli)0,0 mm
Painuman muutos päivässä0,0 mm/d
Kaivusyvyys0,0 m
Tukematon korkeus0,0 m
Alimman tukipalkin kuorma0 %
Asennetut tukipalkkitasot0
Alenema kaivannon alla0,0 m
Alenema rakennuksen alla0,0 m
Konsolidaatiopainuma0,0 mm
Ylikaivuun päivät0 d
Tähän mennessä pumpattu vesi0 10³ m³
Todellisuudessa imeytetty vesi0 m³/h

Trendi

Rakennuksen painuma (lukema): — mm60,0−5,0

Kriisiskenaariot

Taso 1 · Kaiva tukipalkkien tahdissa

Kaivinkoneet pystyvät 0,8 m:iin päivässä, ja aikataulu vaatii tätä tahtia. Tukiryhmä tarvitsee kaksi päivää tasoa kohti eikä voi aloittaa, ennen kuin kaivu on 0,5 m sen alapuolella, joten täydellä tahdilla kaivupinta kulkee tuen edellä. Seinän takana olevan rakennuksen omistaja on sopinut 12 mm:n painumarajasta. Saavuta 15 m:n kaivupohja 40 päivässä, pidä rakennus alle 12 mm:n ja seinän taipuma alle 15 mm:n.

  • Rakennuksen painuma ei koskaan yli 12 mm
  • Seinän taipuma lopussa ≤ 15 mm
  • Saavuta 15 m syvyys

Taso 2 · Kuivatus naapurin alla

Paineellinen hiekkainen pohjavesikerros on 22 m:n syvyydessä. Noin 9 m:n alapuolella pohjan alle jäävä maa ei enää pysty pitämään vedenpainetta aisoissa, joten pohjavesikerrosta on pumpattava kaivun syventyessä — pohjannousun varmuuskerroin koko ajan vähintään 1,2. Päivänä 8 kuivatusryhmä avaa kaivot 450 m³/h:lle. Pohjavesikerroksen päällä naapurirakennuksen alla on savikerros. Johtamislupa sallii koko urakalle 280 tuhatta m³. Saavuta 15 m 45 päivässä niin, että rakennuksen painuma lopussa on enintään 30 mm.

  • Pohjannousun varmuuskerroin ei koskaan alle 1,2
  • Rakennuksen painuma lopussa ≤ 25 mm
  • Pumpattu yhteensä ≤ 280 tuhatta m³ (johtamislupa)
  • Saavuta 15 m syvyys

Taso 3 · Teräs on myöhässä

Urakoitsija kaivaa jatkuvasti 0,7 m päivässä ilman pysäytyskohtia, ja tukipalkkiryhmä on toistaiseksi pysynyt perässä. Päivänä 15, kun kaivupinta on jo neljännellä tukipalkkitasolla, tämän tason teräs viivästyy viikolla. Tukipalkit 1–3 on asennettu. Pidä alin tukipalkki mitoituskuormansa rajoissa ja seinän taipuma alle 30 mm, ja saavuta silti 15 m päivään 30 mennessä.

  • Alimman tukipalkin kuorma ei koskaan yli 100 % mitoituskuormasta
  • Seinän taipuma lopussa ≤ 30 mm
  • Saavuta 15 m syvyys

Perusta — lukujen takana oleva malli

Kaikki simulaattorin käyttämät yhteydet lähteineen. Oletuksiksi merkityt vakiot ovat havainnollistavia kalibrointeja.

Cloughin ja O’Rourken järjestelmäjäykkyys: seinän taivutusjäykkyys jaettuna tukemattoman jänteen neljännellä potenssilla.
S = EI / (γw · h⁴), h = depth − lowest strut level (unsupported height)[3][5]
Jokainen kaivettu metri lisää taipumaa vauhdilla, joka kasvaa järjestelmän jäykkyyden pienentyessä; esijännitys vähentää sitä, pysäytyskohtaa syvempi avoin pinta virumalla etenee.
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]Havainnollistavia suuruusluokkia opetuskäyttöön, ei minkään todellisen työmaan arvoja.
Maan painuma seinän takana: noin 0,75 × seinän taipuma, tasainen arvoon 0,75 H asti ja vaimeneva nollaan arvossa 2 H (pehmeän–keskikovan saven verhokäyrä).
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]
Pohjan alle jäävän maan on painettava enemmän kuin pohjavesikerroksesta ylöspäin työntävä paineellinen vesi.
FS = γt·(z_aq − H) / (γw·(z_aq − z_wt − s_in)); required ≥ 1.2[10]
Thiemin tasainen virtaus: alenema pienenee kaivoista mitatun etäisyyden logaritmin mukaan; imeytyskaivot lisäävät päinvastaista vaikutusta.
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]Havainnollistavia suuruusluokkia opetuskäyttöön, ei minkään todellisen työmaan arvoja.
Terzaghin yksiulotteinen konsolidaatio: alentunut huokosvedenpaine leviää savessa päivien kuluessa, ja savi puristuu kasaan tehokkaan jännityksen kasvaessa.
∂u/∂t = c_v ∂²u/∂z²; Δσ' = −Δu; settlement = Σ m_v·Δσ'·Δz (unloading: 0.1·m_v)[8]
Kulmamuodonmuutos: rakennuksen painumaero jaettuna sen pituudella, verrattuna Bjerrumin rajoihin.
β = (s_near − s_far) / L; 1/500 = 2 ‰ (limit where cracking is not acceptable), 1/300 = 3.3 ‰ (first cracking)[6][7]
Peckin näennäinen maanpaine alimmalle tukipalkille sen vaikutuskorkeudella; mitä syvempi avoin pinta, sitä enemmän se kantaa.
P = 0.3·γ·H · (half span above + h) · 5 m ≥ preload; shown as % of design load 2400 kN[2]Havainnollistavia suuruusluokkia opetuskäyttöön, ei minkään todellisen työmaan arvoja.
Mittarilukemissa on mittausvirhettä — lue trendejä, ei yksittäisiä arvoja.
reading = true value + N(0, σ); σ = 0.5 mm (settlement points), 1.0 mm (inclinometer)[1]Havainnollistavia suuruusluokkia opetuskäyttöön, ei minkään todellisen työmaan arvoja.
Mallin käyttämät vakiot
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)Havainnollistavia suuruusluokkia opetuskäyttöön, ei minkään todellisen työmaan arvoja.

Satunnaisuus: siemenellä alustettu mulberry32-generaattori; käytetyt jakaumat — tasainen, eksponentiaalinen (käänteinen kertymäfunktio), normaali (Box–Muller), Poisson (Knuth). Siemen näytetään ja se on jaettavissa.

Lähteet

  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

Kuka tekee tätä työkseen

Opetusmalli — ei operatiivisten päätösten tekoon. Todelliset laitokset kalibroivat jokaisen vakion omien laitteidensa ja tietojensa mukaan.