Gradbeništvo — spremljanje globokega izkopa Model v živo

Ste inženir na gradbišču 15 m globokega izkopa, razpetega s petimi ravnmi razpor, z stavbo 6 m za steno. Vsak simulirani dan model koplje s vašo hitrostjo, pusti ekipi za razpore, da vgradi naslednjo raven, upogne steno glede na to, koliko je je nepodprte, premik razširi v posedno kotanjo pod stavbo in zniža podtalnico povsod, kjer črpate. Vidite, kar vidi gradbišče: odčitke inklinometra in posedkov z merilno napako. Samo izobraževalna simulacija — številke so ponazoritvene in ne gre za inženirsko projektiranje.

Kaj se boste naučili

Simulator

Čas 0 d
Globina izkopa 0,0 m · Vgrajene ravni razpor 0/5 · Nepodprta višina 0,0 m · Posedek stavbe (odčitek) 0,0 mm · Poves stene (inklinometer) 0,0 mm · Kotna deformacija stavbe 0,00 ‰ · Varnostni faktor proti dvigu dna 1,97✓ 0,0 mmStena (inklinometer)✓ β 0,00 ‰✓ 0,0 mmSosednja stavbaZajeti vodonosnik · Varnostni faktor proti dvigu dna ✓ 1,97Globina izkopa 0,0 m · 0/5✓ Posedek stavbe (model) 0,0 mmKonsolidacijski posedek 0,0 mm⇣ Črpanje za odvodnjavanje 0 · ⇡ Vodnjaki za povračanje vode 0 m³/hZnižanje gladine pod stavbo 0,0 m
  • Razpora vgrajena
  • Razpora se vgrajuje
  • Preveč izkopano čelo
  • Pod opozorilno ravnjo
  • Dosežena opozorilna raven
  • Dosežena akcijska raven
  • Zemeljska berma
  • Tlačna višina vodonosnika

Kontrole

Metri globine, odstranjeni na dan. 0 ustavi bagre.

Ustavi izkop 0,5 m pod naslednjo ravnjo razpor, dokler ta razpora ni vgrajena.

Sila dvigala, zaklenjena v vsaki novi razpori, kot delež njene projektne obremenitve. Velja za razpore, vgrajene od zdaj naprej.

Pustite ali nasujte zemljino ob vznožje stene: podpre odprto čelo (−2 m nepodprte višine), a dokler je tam, kopanje ni mogoče.

Črpanje iz vodnjakov znotraj jame. Zniža tlak v vodonosniku pod dnom — in okoli njega.

Voda, ki se vbrizga blizu stavbe, da pod njo ohranja gladino podzemne vode. To je ponovno uporabljena izčrpana voda, vodnjaki za vbrizgavanje pa se mašijo, zato se lahko nazaj vrne največ 55 % izčrpanega pretoka. Deluje tudi proti odvodnjavanju.

Kazalniki

Posedek stavbe (odčitek)
0,0mm
običajno
Poves stene (inklinometer)
0,0mm
običajno
Kotna deformacija stavbe
0,00‰
običajno
Varnostni faktor proti dvigu dna
1,97
običajno
Posedek stavbe (model)0,0 mm
Poves stene (model)0,0 mm
Sprememba posedka na dan0,0 mm/d
Globina izkopa0,0 m
Nepodprta višina0,0 m
Obremenitev najnižje razpore0 %
Vgrajene ravni razpor0
Znižanje gladine pod jamo0,0 m
Znižanje gladine pod stavbo0,0 m
Konsolidacijski posedek0,0 mm
Dnevi s preveč izkopanim čelom0 d
Doslej izčrpana voda0 10³ m³
Dejansko povrnjena voda0 m³/h

Trend

Posedek stavbe (odčitek): — mm60,0−5,0

Krizni scenariji

Stopnja 1 · Kopati s hitrostjo razpor

Bagri zmorejo 0,8 m na dan in program želi to hitrost. Ekipa za razpore potrebuje dva dni na raven in lahko začne šele, ko je izkop 0,5 m pod njo, zato pri polni hitrosti čelo teče pred podporo. Lastnik stavbe za steno je pristal na mejo posedka 12 mm. Dosezite 15 m globoko ravnino izkopa v 40 dneh, stavbo obdržite pod 12 mm in poves stene pod 15 mm.

  • Posedek stavbe nikoli nad 12 mm
  • Poves stene na koncu ≤ 15 mm
  • Doseči globino 15 m

Stopnja 2 · Odvodnjavanje pod sosedom

Na globini 22 m leži zaprt peščeni vodonosnik. Pod okoli 9 m zemljina, ki ostane pod dnom, ne more več zadržati tlaka njegove vode, zato je treba vodonosnik črpati, ko se izkop poglablja — varnostni faktor proti dvigu dna ves čas najmanj 1,2. Na 8. dan ekipa za odvodnjavanje odpre vodnjake na 450 m³/h. Nad vodonosnikom pod sosednjo stavbo leži plast gline. Dovoljenje za izpust dovoljuje 280 tisoč m³ za celotno gradnjo. Dosezite 15 m v 45 dneh s končnim posedkom stavbe največ 30 mm.

  • Varnostni faktor proti dvigu dna nikoli pod 1,2
  • Posedek stavbe na koncu ≤ 25 mm
  • Skupaj izčrpano ≤ 280 tisoč m³ (dovoljenje za izpust)
  • Doseči globino 15 m

Stopnja 3 · Jeklo zamuja

Izvajalec koplje neprekinjeno 0,7 m na dan brez točk zadržanja, ekipa za razpore pa je doslej sledila tempu. Na 15. dan, ko je čelo že na četrti ravni razpor, jeklo za to raven zamuja en teden. Razpore 1–3 so vgrajene. Ohranite najnižjo razporo v mejah projektne obremenitve in poves stene pod 30 mm ter kljub temu dosezite 15 m do 30. dne.

  • Obremenitev najnižje razpore nikoli nad 100 % projektne
  • Poves stene na koncu ≤ 30 mm
  • Doseči globino 15 m

Osnova – model za številkami

Vsaka zveza, ki jo simulator uporablja, z virom. Konstante, označene kot predpostavke, so ilustrativne umeritve.

Togost sistema po Cloughu in O'Rourku: upogibna togost stene, deljena s četrto potenco nepodprtega razpona.
S = EI / (γw · h⁴), h = depth − lowest strut level (unsupported height)[3][5]
Vsak izkopani meter doda povesa s hitrostjo, ki raste, ko pada togost sistema; prednapetje jo zmanjša, odprto čelo, globlje od točke zadržanja, lezi.
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]Ponazoritvene velikosti za poučevanje, ne vrednosti za kakršno koli resnično gradbišče.
Posedek tal za steno: okoli 0,75 × poves stene, raven do 0,75 H, upada na nič pri 2 H (ovojnica za mehko do srednje trdo glino).
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]
Zemljina, ki ostane pod dnom, mora tehtati več kot tlak zajete vode, ki potiska navzgor iz vodonosnika.
FS = γt·(z_aq − H) / (γw·(z_aq − z_wt − s_in)); required ≥ 1.2[10]
Thiemov stacionarni tok: znižanje gladine pada z logaritmom razdalje od vodnjakov; vodnjaki za povračanje dodajo nasprotni učinek.
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]Ponazoritvene velikosti za poučevanje, ne vrednosti za kakršno koli resnično gradbišče.
Terzaghijeva enodimenzionalna konsolidacija: znižani tlak vode se v dneh razširi v glino, glina pa se stisne, ko raste efektivna napetost.
∂u/∂t = c_v ∂²u/∂z²; Δσ' = −Δu; settlement = Σ m_v·Δσ'·Δz (unloading: 0.1·m_v)[8]
Kotna deformacija: razlika posedka čez stavbo, deljena z njeno dolžino, glede na Bjerrumove meje.
β = (s_near − s_far) / L; 1/500 = 2 ‰ (limit where cracking is not acceptable), 1/300 = 3.3 ‰ (first cracking)[6][7]
Peckov navidezni zemeljski tlak na najnižjo razporo čez njeno pripadajočo višino; čim globlje je odprto čelo, tem več nosi.
P = 0.3·γ·H · (half span above + h) · 5 m ≥ preload; shown as % of design load 2400 kN[2]Ponazoritvene velikosti za poučevanje, ne vrednosti za kakršno koli resnično gradbišče.
Odčitki instrumentov imajo merilno napako — berite trende, ne posameznih vrednosti.
reading = true value + N(0, σ); σ = 0.5 mm (settlement points), 1.0 mm (inclinometer)[1]Ponazoritvene velikosti za poučevanje, ne vrednosti za kakršno koli resnično gradbišče.
Konstante, ki jih uporablja model
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)Ponazoritvene velikosti za poučevanje, ne vrednosti za kakršno koli resnično gradbišče.

Naključnost: generator mulberry32 s semenom; uporabljene porazdelitve – enakomerna, eksponentna (inverzna CDF), normalna (Box–Muller), Poissonova (Knuth). Seme je prikazano in ga je mogoče deliti.

Viri

  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

Kdo se s tem ukvarja poklicno

Izobraževalni model – ni za operativne odločitve. Resnični objekti vsako konstanto umerijo na svojo opremo in podatke.