Stavebníctvo — monitorovanie hlbokého výkopu Živý model

Ste stavbyvedúci výkopu hlbokého 15 m, vystuženého piatimi úrovňami rozpier, s budovou 6 m za stenou. Každý simulovaný deň model kope vaším tempom, nechá partiu rozpier nainštalovať ďalšiu úroveň, prehýba stenu podľa toho, koľko z nej je nepodoprené, rozširuje pohyb do sadacej kotliny pod budovou a znižuje podzemnú vodu všade, kde čerpáte. Vidíte to, čo vidí stavba: údaje z inklinometra a sadania s chybou merania. Len vzdelávacia simulácia — čísla sú ilustračné a nejde o inžiniersky návrh.

Čo sa naučíte

Simulátor

Čas 0 d
Hĺbka výkopu 0,0 m · Nainštalované úrovne rozpier 0/5 · Nepodoprená výška 0,0 m · Sadanie budovy (údaj) 0,0 mm · Priehyb steny (inklinometer) 0,0 mm · Uhlová deformácia budovy 0,00 ‰ · Súčiniteľ bezpečnosti proti nadvihnutiu dna 1,97✓ 0,0 mmStena (inklinometer)✓ β 0,00 ‰✓ 0,0 mmSusedná budovaNapätá zvodnená vrstvaSúčiniteľ bezpečnosti proti nadvihnutiu dna ✓ 1,97Hĺbka výkopu 0,0 m · 0/5✓ Sadanie budovy (model) 0,0 mmKonsolidačné sadanie 0,0 mm⇣ Odvodňovacie čerpanie 0 · ⇡ Vsakovacie studne 0 m³/h · Pokles hladiny pod budovou 0,0 m
  • Rozpera nainštalovaná
  • Rozpera sa inštaluje
  • Prekopaná stena výkopu
  • Pod výstražnou úrovňou
  • Dosiahnutá výstražná úroveň
  • Dosiahnutá akčná úroveň
  • Zemná berma
  • Tlaková výška zvodnenej vrstvy

Ovládanie

Metre hĺbky odstránené za deň. 0 zastaví rýpadlá.

Zastaví výkop 0,5 m pod ďalšou úrovňou rozpier, kým sa táto rozpera nenainštaluje.

Sila z hydraulického zdviháka zablokovaná v každej novej rozpere ako podiel jej projektovaného zaťaženia. Platí pre rozpery inštalované odteraz.

Nechajte alebo nasypte zeminu k päte steny: podoprie otvorenú stenu výkopu (−2 m nepodopretej výšky), ale kým tam je, nedá sa kopať.

Čerpanie zo studní vo vnútri jamy. Znižuje tlak vody vo zvodnenej vrstve pod dnom — aj okolo neho.

Voda vtláčaná pri budove, aby sa pod ňou udržala hladina podzemnej vody. Je to opätovne využitá odčerpaná voda a vsakovacie studne sa zanášajú, takže späť sa dá vrátiť najviac 55 % odčerpaného prietoku. Pôsobí aj proti odvodňovaniu.

Ukazovatele

Sadanie budovy (údaj)
0,0mm
normálne
Priehyb steny (inklinometer)
0,0mm
normálne
Uhlová deformácia budovy
0,00‰
normálne
Súčiniteľ bezpečnosti proti nadvihnutiu dna
1,97
normálne
Sadanie budovy (model)0,0 mm
Priehyb steny (model)0,0 mm
Zmena sadania za deň0,0 mm/d
Hĺbka výkopu0,0 m
Nepodoprená výška0,0 m
Zaťaženie najnižšej rozpery0 %
Nainštalované úrovne rozpier0
Pokles hladiny pod jamou0,0 m
Pokles hladiny pod budovou0,0 m
Konsolidačné sadanie0,0 mm
Dni s prekopaním0 d
Doteraz odčerpaná voda0 10³ m³
Skutočne vtlačená voda0 m³/h

Trend

Sadanie budovy (údaj): — mm60,0-5,0

Krízové scenáre

Úroveň 1 · Kopať tempom rozpier

Rýpadlá zvládnu 0,8 m za deň a harmonogram požaduje toto tempo. Partia rozpier potrebuje dva dni na úroveň a môže začať, až keď je výkop 0,5 m pod ňou, takže pri plnom tempe čelo výkopu predbieha podopretie. Vlastník budovy za stenou odsúhlasil limit sadania 12 mm. Dosiahnite základovú škáru 15 m do 40 dní, udržte budovu pod 12 mm a priehyb steny pod 15 mm.

  • Sadanie budovy nikdy nad 12 mm
  • Priehyb steny na konci ≤ 15 mm
  • Dosiahnuť hĺbku 15 m

Úroveň 2 · Odvodňovanie pod susedom

V hĺbke 22 m leží napätá piesčitá zvodeň. Pod asi 9 m už zemina, ktorá zostáva pod dnom, neudrží tlak jej vody, preto sa zvodeň musí čerpať, ako sa výkop prehlbuje — súčiniteľ bezpečnosti proti nadvihnutiu dna stále aspoň 1,2. Na 8. deň otvorí odvodňovacia čata studne na 450 m³/h. Nad zvodňou pod susednou budovou leží vrstva ílu. Povolenie na vypúšťanie dovoľuje 280 tisíc m³ na celú stavbu. Dosiahnite 15 m za 45 dní s konečným sadaním budovy najviac 30 mm.

  • Súčiniteľ bezpečnosti proti nadvihnutiu dna nikdy pod 1,2
  • Sadanie budovy na konci ≤ 25 mm
  • Spolu odčerpané ≤ 280 tisíc m³ (povolenie na vypúšťanie)
  • Dosiahnuť hĺbku 15 m

Úroveň 3 · Oceľ mešká

Zhotoviteľ kope nepretržite 0,7 m za deň bez zastavovacích bodov a čata rozpier doteraz stíhala. Na 15. deň, keď je čelo už na štvrtej úrovni rozpier, sa oceľ pre túto úroveň o týždeň oneskorí. Rozpery 1–3 sú osadené. Udržte najnižšiu rozperu v medziach projektovaného zaťaženia a priehyb steny pod 30 mm a napriek tomu dosiahnite 15 m do 30. dňa.

  • Zaťaženie najnižšej rozpery nikdy nad 100 % projektovaného
  • Priehyb steny na konci ≤ 30 mm
  • Dosiahnuť hĺbku 15 m

Základ — model za číslami

Každý vzťah, ktorý simulátor používa, aj s jeho zdrojom. Konštanty označené ako predpoklady sú ilustračné kalibrácie.

Tuhosť systému podľa Clougha a O'Rourka: ohybová tuhosť steny delená štvrtou mocninou nepodopretého rozpätia.
S = EI / (γw · h⁴), h = depth − lowest strut level (unsupported height)[3][5]
Každý vykopaný meter pridáva priehyb rýchlosťou, ktorá rastie, keď klesá tuhosť systému; predpätie ju znižuje, otvorená stena hlbšia ako zastavovací bod sa plazí.
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]Ilustračné veľkosti na výučbu, nie hodnoty pre nijakú skutočnú stavbu.
Sadanie terénu za stenou: asi 0,75 × priehyb steny, ploché do 0,75 H, klesajúce na nulu pri 2 H (obálka pre mäkký až stredne tuhý íl).
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]
Zemina ponechaná pod dnom musí vážiť viac než tlak napätej vody, ktorý tlačí zospodu zo zvodnenej vrstvy.
FS = γt·(z_aq − H) / (γw·(z_aq − z_wt − s_in)); required ≥ 1.2[10]
Thiemovo ustálené prúdenie: pokles hladiny klesá s logaritmom vzdialenosti od studní; vsakovacie studne pridávajú opačný účinok.
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]Ilustračné veľkosti na výučbu, nie hodnoty pre nijakú skutočnú stavbu.
Terzaghiho jednorozmerná konsolidácia: znížený tlak vody sa difunduje do ílu počas dní a íl sa stláča, keď rastie efektívne napätie.
∂u/∂t = c_v ∂²u/∂z²; Δσ' = −Δu; settlement = Σ m_v·Δσ'·Δz (unloading: 0.1·m_v)[8]
Uhlová deformácia: rozdiel sadania naprieč budovou delený jej dĺžkou, voči Bjerrumovým limitom.
β = (s_near − s_far) / L; 1/500 = 2 ‰ (limit where cracking is not acceptable), 1/300 = 3.3 ‰ (first cracking)[6][7]
Peckov zdanlivý zemný tlak na najnižšiu rozperu cez jej príslušnú výšku; čím hlbšia otvorená stena, tým viac nesie.
P = 0.3·γ·H · (half span above + h) · 5 m ≥ preload; shown as % of design load 2400 kN[2]Ilustračné veľkosti na výučbu, nie hodnoty pre nijakú skutočnú stavbu.
Údaje z prístrojov majú chybu merania — čítajte trendy, nie jednotlivé hodnoty.
reading = true value + N(0, σ); σ = 0.5 mm (settlement points), 1.0 mm (inclinometer)[1]Ilustračné veľkosti na výučbu, nie hodnoty pre nijakú skutočnú stavbu.
Konštanty používané modelom
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)Ilustračné veľkosti na výučbu, nie hodnoty pre nijakú skutočnú stavbu.

Náhodnosť: generátor mulberry32 so seedom; použité rozdelenia — rovnomerné, exponenciálne (inverzná CDF), normálne (Box–Muller), Poissonovo (Knuth). Seed je zobrazený a dá sa zdieľať.

Zdroje

  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

Kto to robí ako povolanie

Vzdelávací model — nie na prevádzkové rozhodnutia. Skutočné zariadenia kalibrujú každú konštantu podľa vlastného vybavenia a údajov.