Construción — monitorización dunha escavación profunda Modelo en directo

Es o enxeñeiro de obra dunha escavación de 15 m apuntalada por cinco niveis de puntais, cun edificio a 6 m detrás do muro. Cada día simulado o modelo escava ao teu ritmo, deixa que a cuadrilla de puntais instale o seguinte nivel, flexiona o muro segundo canto del estea sen apoio, estende o movemento nunha cuba de asentamento baixo o edificio e baixa a auga subterránea alí onde bombees. Ves o que ve a obra: lecturas de inclinómetro e asentamento con erro de medición. Só simulación educativa — os números son ilustrativos e isto non é asesoramento de deseño de enxeñaría.

O que aprenderás

Simulador

Tempo 0 d
Profundidade de escavación 0,0 m · Niveis de puntais instalados 0/5 · Altura sen apoio 0,0 m · Asentamento do edificio (lectura) 0,0 mm · Deflexión do muro (inclinómetro) 0,0 mm · Distorsión angular do edificio 0,00 ‰ · Factor de seguridade ao levantamento do fondo 1,97✓ 0,0 mmMuro (inclinómetro)✓ β 0,00 ‰✓ 0,0 mmEdificio veciñoAcuífero confinadoFactor de seguridade ao levantamento do fondo ✓ 1,97Profundidade de escavación 0,0 m · 0/5✓ Asentamento do edificio (modelo) 0,0 mmAsentamento por consolidación 0,0 mm⇣ Bombeo de drenaxe 0 · ⇡ Pozos de recarga 0 m³/h · Abatemento baixo o edificio 0,0 m
  • Puntal instalado
  • Instalando puntal
  • Fronte sobreescavada
  • Por debaixo do nivel de alerta
  • Nivel de alerta alcanzado
  • Nivel de actuación alcanzado
  • Berma de terra
  • Altura piezométrica do acuífero

Controis

Metros de profundidade retirados ao día. 0 para as escavadoras.

Detén a escavación 0,5 m por debaixo do seguinte nivel de puntais ata que ese puntal estea instalado.

Forza de macaco bloqueada en cada novo puntal, como porcentaxe da súa carga de deseño. Aplícase aos puntais que se instalen a partir de agora.

Deixa ou coloca terra no pé do muro: apuntala a fronte aberta (−2 m de altura sen apoio) pero non se pode escavar mentres estea aí.

Bombeo dende os pozos dentro do foxo. Reduce a presión do acuífero baixo o fondo — e ao seu redor.

Auga inxectada preto do edificio para manter alto o nivel freático baixo el. É a auga bombeada reutilizada, e os pozos de inxección atúanse, así que como moito o 55 % do caudal bombeado pode volver ao terreo. Tamén contrarresta a drenaxe.

Indicadores

Asentamento do edificio (lectura)
0,0mm
normal
Deflexión do muro (inclinómetro)
0,0mm
normal
Distorsión angular do edificio
0,00‰
normal
Factor de seguridade ao levantamento do fondo
1,97
normal
Asentamento do edificio (modelo)0,0 mm
Deflexión do muro (modelo)0,0 mm
Cambio de asentamento por día0,0 mm/d
Profundidade de escavación0,0 m
Altura sen apoio0,0 m
Carga do puntal máis baixo0 %
Niveis de puntais instalados0
Abatemento baixo o foxo0,0 m
Abatemento baixo o edificio0,0 m
Asentamento por consolidación0,0 mm
Días de sobreescavación0 d
Auga bombeada ata agora0 10³ m³
Recarga inxectada realmente0 m³/h

Tendencia

Asentamento do edificio (lectura): — mm60,0-5,0

Escenarios de crise

Nivel 1 · Escavar ao ritmo dos puntais

As escavadoras poden retirar 0,8 m ao día e o programa quere ese ritmo. A cuadrilla de puntais precisa dous días por nivel e só pode comezar cando a escavación está 0,5 m por debaixo del, así que a pleno ritmo a fronte vai por diante do apuntalamento. O propietario do edificio detrás do muro acordou un límite de asentamento de 12 mm. Chega á cota de 15 m en 40 días, mantén o edificio por debaixo de 12 mm e a deflexión do muro por debaixo de 15 mm.

  • Asentamento do edificio nunca por riba de 12 mm
  • Deflexión do muro ao final ≤ 15 mm
  • Alcanzar 15 m de profundidade

Nivel 2 · Drenaxe baixo un veciño

Un acuífero areoso confinado está a 22 m de profundidade. Por debaixo duns 9 m, o solo que queda baixo o fondo xa non pode conter a presión da auga, así que hai que bombear o acuífero a medida que a escavación afonda — factor de seguridade ao levantamento do fondo de polo menos 1,2 en todo momento. O día 8 a cuadrilla de drenaxe abre os pozos a 450 m³/h. Unha capa de arxila descansa sobre o acuífero baixo o edificio veciño. O permiso de vertido autoriza 280 mil m³ para toda a obra. Chega a 15 m en 45 días cun asentamento do edificio ao final de como moito 30 mm.

  • Factor de seguridade ao levantamento do fondo nunca por debaixo de 1,2
  • Asentamento do edificio ao final ≤ 25 mm
  • Total bombeado ≤ 280 mil m³ (permiso de vertido)
  • Alcanzar 15 m de profundidade

Nivel 3 · O aceiro chega tarde

O contratista escava de xeito continuo a 0,7 m ao día sen puntos de espera, e a cuadrilla de puntais seguiu o ritmo ata agora. O día 15, coa fronte xa no cuarto nivel de puntais, o aceiro dese nivel atrásase unha semana. Os puntais 1–3 están colocados. Mantén o puntal máis baixo dentro da súa carga de deseño e a deformación do muro por debaixo de 30 mm, e chega igualmente aos 15 m para o día 30.

  • Carga do puntal máis baixo nunca por riba do 100 % da de deseño
  • Deflexión do muro ao final ≤ 30 mm
  • Alcanzar 15 m de profundidade

Base — o modelo detrás dos números

Todas as relacións que usa o simulador, coa súa fonte. As constantes marcadas como suposicións son calibracións ilustrativas.

Rixidez do sistema de Clough & O’Rourke: a rixidez a flexión do muro dividida pola cuarta potencia do vano sen apoio.
S = EI / (γw · h⁴), h = depth − lowest strut level (unsupported height)[3][5]
Cada metro escavado engade deflexión a un ritmo que aumenta cando a rixidez do sistema baixa; a precarga redúcea, unha fronte aberta máis profunda que o punto de espera esvara lentamente.
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]Magnitudes ilustrativas para o ensino, non valores de ningunha obra real.
Asentamento do terreo detrás do muro: aproximadamente 0,75 × a deflexión do muro, plano ata 0,75 H, decrecendo a cero a 2 H (envolvente de arxila branda a media).
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]
O solo que queda baixo o fondo debe pesar máis que a presión da auga confinada que empurra cara arriba desde o acuífero.
FS = γt·(z_aq − H) / (γw·(z_aq − z_wt − s_in)); required ≥ 1.2[10]
Fluxo estacionario de Thiem: o abatemento cae co logaritmo da distancia aos pozos; os pozos de recarga engaden o efecto contrario.
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]Magnitudes ilustrativas para o ensino, non valores de ningunha obra real.
Consolidación unidimensional de Terzaghi: a presión da auga reducida difúndese na arxila ao longo de días, e a arxila comprímese cando aumenta a tensión efectiva.
∂u/∂t = c_v ∂²u/∂z²; Δσ' = −Δu; settlement = Σ m_v·Δσ'·Δz (unloading: 0.1·m_v)[8]
Distorsión angular: diferenza de asentamento ao longo do edificio dividida pola súa lonxitude, fronte aos límites de Bjerrum.
β = (s_near − s_far) / L; 1/500 = 2 ‰ (limit where cracking is not acceptable), 1/300 = 3.3 ‰ (first cracking)[6][7]
Presión aparente de terras de Peck sobre o puntal máis baixo ao longo da súa altura tributaria; canto máis profunda a fronte aberta, máis carga soporta.
P = 0.3·γ·H · (half span above + h) · 5 m ≥ preload; shown as % of design load 2400 kN[2]Magnitudes ilustrativas para o ensino, non valores de ningunha obra real.
As lecturas dos instrumentos teñen erro de medición — le tendencias, non valores illados.
reading = true value + N(0, σ); σ = 0.5 mm (settlement points), 1.0 mm (inclinometer)[1]Magnitudes ilustrativas para o ensino, non valores de ningunha obra real.
Constantes que usa o modelo
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)Magnitudes ilustrativas para o ensino, non valores de ningunha obra real.

Aleatoriedade: un xerador mulberry32 con semente; distribucións usadas — uniforme, exponencial (CDF inversa), normal (Box–Muller), Poisson (Knuth). A semente móstrase e pódese compartir.

Fontes

  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

Quen se dedica a isto

Modelo educativo — non apto para decisións operativas. Os emprazamentos reais calibran cada constante segundo o seu propio equipamento e datos.