Bouw — monitoring van een diepe ontgraving Live model

Je bent uitvoerder op een bouwput van 15 m diep die wordt gestempeld met vijf stempelniveaus, met een gebouw op 6 m achter de wand. Elke gesimuleerde dag graaft het model met jouw snelheid, laat de stempelploeg het volgende niveau plaatsen, buigt de wand al naar gelang hoeveel ervan ongesteund is, spreidt de beweging uit tot een zettingskom onder het gebouw en verlaagt het grondwater waar je ook bemaalt. Je ziet wat de bouwplaats ziet: inclinometer- en zettingsmetingen met meetfout. Alleen een educatieve simulatie — de cijfers zijn illustratief en dit is geen advies voor technisch ontwerp.

Wat je gaat leren

Simulator

Tijd 0 d
Ontgravingsdiepte 0,0 m · Geplaatste stempelniveaus 0/5 · Ongesteunde hoogte 0,0 m · Zetting van het gebouw (meting) 0,0 mm · Wanddoorbuiging (inclinometer) 0,0 mm · Hoekverdraaiing van het gebouw 0,00 ‰ · Veiligheidsfactor tegen opbarsten 1,97✓ 0,0 mmWand (inclinometer)✓ β 0,00 ‰✓ 0,0 mmNaastgelegen gebouwGespannen watervoerend pakketVeiligheidsfactor tegen opbarsten ✓ 1,97Ontgravingsdiepte 0,0 m · 0/5✓ Zetting van het gebouw (model) 0,0 mmConsolidatiezetting 0,0 mm⇣ Bemaling 0 · ⇡ Infiltratieputten 0 m³/h · Verlaging onder het gebouw 0,0 m
  • Stempel geplaatst
  • Stempel wordt geplaatst
  • Te diep gegraven front
  • Onder alarmniveau
  • Alarmniveau bereikt
  • Actieniveau bereikt
  • Grondberm
  • Stijghoogte watervoerend pakket

Bediening

Meters diepte die per dag worden verwijderd. 0 stopt de graafmachines.

Stop het graven 0,5 m onder het volgende stempelniveau totdat die stempel is geplaatst.

Kracht waarmee elke nieuwe stempel wordt aangespannen en vergrendeld, als aandeel van de ontwerpbelasting. Geldt voor stempels die vanaf nu worden geplaatst.

Laat grond tegen de wandvoet staan of breng die aan: ze stut het open front (−2 m ongesteunde hoogte), maar zolang ze er ligt kan er niet worden gegraven.

Oppompen uit de putten in de bouwput. Verlaagt de waterdruk in het watervoerend pakket onder de bodem — en eromheen.

Water dat bij het gebouw wordt geïnjecteerd om het grondwater eronder hoog te houden. Het is het opgepompte water dat wordt hergebruikt, en infiltratieputten raken verstopt, dus hoogstens 55 % van het opgepompte debiet kan terug de grond in. Het werkt ook de bemaling tegen.

Indicatoren

Zetting van het gebouw (meting)
0,0mm
normaal
Wanddoorbuiging (inclinometer)
0,0mm
normaal
Hoekverdraaiing van het gebouw
0,00‰
normaal
Veiligheidsfactor tegen opbarsten
1,97
normaal
Zetting van het gebouw (model)0,0 mm
Wanddoorbuiging (model)0,0 mm
Zettingsverandering per dag0,0 mm/d
Ontgravingsdiepte0,0 m
Ongesteunde hoogte0,0 m
Belasting onderste stempel0 %
Geplaatste stempelniveaus0
Verlaging onder de put0,0 m
Verlaging onder het gebouw0,0 m
Consolidatiezetting0,0 mm
Dagen te diep gegraven0 d
Tot nu toe opgepompt water0 10³ m³
Werkelijk geïnfiltreerd water0 m³/h

Trend

Zetting van het gebouw (meting): — mm60,0-5,0

Crisisscenario’s

Niveau 1 · Graaf in het tempo van de stempels

De graafmachines kunnen 0,8 m per dag aan en de planning wil dat tempo. De stempelploeg heeft twee dagen per niveau nodig en kan pas beginnen als het graafwerk 0,5 m eronder is, dus op volle snelheid loopt het front voor op de ondersteuning. De eigenaar van het gebouw achter de wand heeft ingestemd met een zettingsgrens van 12 mm. Bereik de 15 m-bouwputbodem binnen 40 dagen, houd het gebouw onder 12 mm en de wanddoorbuiging onder 15 mm.

  • Zetting van het gebouw nooit boven 12 mm
  • Wanddoorbuiging aan het eind ≤ 15 mm
  • Bereik 15 m diepte

Niveau 2 · Bemaling onder een buurman

Een gespannen zandig watervoerend pakket ligt op 22 m diepte. Onder ongeveer 9 m kan de grond die onder de bodem overblijft de waterdruk niet meer tegenhouden, dus het pakket moet worden bemalen naarmate de ontgraving dieper gaat — veiligheidsfactor tegen opbarsten steeds minstens 1,2. Op dag 8 zet de bemalingsploeg de putten open op 450 m³/h. Boven het watervoerend pakket ligt onder het buurgebouw een kleilaag. De lozingsvergunning staat 280 duizend m³ toe voor het hele project. Bereik 15 m in 45 dagen met een zetting van het gebouw aan het eind van hoogstens 30 mm.

  • Veiligheidsfactor tegen opbarsten nooit onder 1,2
  • Zetting van het gebouw aan het eind ≤ 25 mm
  • Totaal opgepompt ≤ 280 duizend m³ (lozingsvergunning)
  • Bereik 15 m diepte

Niveau 3 · Het staal is te laat

De aannemer graaft continu met 0,7 m per dag zonder stoppunten, en de stempelploeg heeft tot nu toe bijgehouden. Op dag 15, met het front al op het vierde stempelniveau, is het staal voor dat niveau een week vertraagd. Stempels 1–3 zijn geplaatst. Houd de onderste stempel binnen zijn ontwerpbelasting en de wandvervorming onder 30 mm, en bereik toch 15 m op dag 30.

  • Belasting onderste stempel nooit boven 100 % van de ontwerpbelasting
  • Wanddoorbuiging aan het eind ≤ 30 mm
  • Bereik 15 m diepte

Grondslag — het model achter de getallen

Elk verband dat de simulator gebruikt, met bron. Constanten die als aanname zijn gemarkeerd, zijn illustratieve kalibraties.

Systeemstijfheid van Clough & O'Rourke: de buigstijfheid van de wand gedeeld door de vierde macht van de ongesteunde overspanning.
S = EI / (γw · h⁴), h = depth − lowest strut level (unsupported height)[3][5]
Elke gegraven meter voegt doorbuiging toe met een snelheid die stijgt naarmate de systeemstijfheid daalt; voorspanning verkleint die, een open front dieper dan het stoppunt kruipt.
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]Illustratieve ordes van grootte voor onderwijsdoeleinden, geen waarden voor een echte bouwplaats.
Maaiveldzetting achter de wand: ongeveer 0,75 × de wanddoorbuiging, vlak tot 0,75 H, uitdovend tot nul bij 2 H (omhullende voor zachte tot matig stijve klei).
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]
De grond die onder de bodem achterblijft moet zwaarder wegen dan de gespannen waterdruk die van onderaf uit het watervoerend pakket omhoog duwt.
FS = γt·(z_aq − H) / (γw·(z_aq − z_wt − s_in)); required ≥ 1.2[10]
Thiem's stationaire stroming: de verlaging neemt af met de logaritme van de afstand tot de putten; infiltratieputten voegen het tegenovergestelde effect toe.
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]Illustratieve ordes van grootte voor onderwijsdoeleinden, geen waarden voor een echte bouwplaats.
Terzaghi's 1D-consolidatie: de verlaagde waterdruk diffundeert in de loop van dagen de klei in, en de klei wordt samengedrukt naarmate de effectieve spanning stijgt.
∂u/∂t = c_v ∂²u/∂z²; Δσ' = −Δu; settlement = Σ m_v·Δσ'·Δz (unloading: 0.1·m_v)[8]
Hoekverdraaiing: het verschil in zetting over het gebouw gedeeld door de lengte ervan, getoetst aan de grenzen van Bjerrum.
β = (s_near − s_far) / L; 1/500 = 2 ‰ (limit where cracking is not acceptable), 1/300 = 3.3 ‰ (first cracking)[6][7]
Peck's schijnbare gronddruk op de onderste stempel over zijn invloedshoogte; hoe dieper het open front, hoe meer hij draagt.
P = 0.3·γ·H · (half span above + h) · 5 m ≥ preload; shown as % of design load 2400 kN[2]Illustratieve ordes van grootte voor onderwijsdoeleinden, geen waarden voor een echte bouwplaats.
Instrumentmetingen bevatten meetfouten — lees trends, geen losse waarden.
reading = true value + N(0, σ); σ = 0.5 mm (settlement points), 1.0 mm (inclinometer)[1]Illustratieve ordes van grootte voor onderwijsdoeleinden, geen waarden voor een echte bouwplaats.
Constanten die het model gebruikt
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)Illustratieve ordes van grootte voor onderwijsdoeleinden, geen waarden voor een echte bouwplaats.

Willekeur: een mulberry32-generator met seed; gebruikte verdelingen — uniform, exponentieel (inverse CDF), normaal (Box–Muller), Poisson (Knuth). De seed wordt getoond en kan worden gedeeld.

Bronnen

  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

Wie dit beroepsmatig doet

Educatief model — niet bedoeld voor operationele beslissingen. Echte locaties stemmen elke constante af op hun eigen apparatuur en gegevens.