第 1 级 · 按支撑的节奏开挖
挖掘机每天可挖 0.8 m,工程进度计划也要求这个速度。支撑班组每层需要两天,且必须等开挖低于该层 0.5 m 后才能开始,所以全速开挖时,开挖面会跑到支撑前面。墙后建筑的业主同意沉降限值为 12 mm。要在 40 天内挖到 15 m 基底标高,把建筑沉降控制在 12 mm 以下,墙体变形控制在 15 mm 以下。
- 建筑沉降从不超过 12 mm
- 结束时墙体变形 ≤ 15 mm
- 挖到 15 m 深度
你是一个 15 m 深基坑的工地工程师,基坑由五层支撑撑住,墙后 6 m 处有一栋建筑。模拟的每一天,模型按你设定的速度开挖,让支撑班组安装下一层,按墙体无支撑部分的多少使墙弯曲,把位移扩散成建筑下方的沉降槽,并在你抽水的地方降低地下水位。你看到的就是工地所见:带有测量误差的测斜仪和沉降读数。仅为教育模拟——数字均为示意,并非工程设计建议。
每天挖去的深度(m)。0 表示挖掘机停工。
开挖至比下一层支撑低 0.5 m 时停工,待该支撑安装完毕。
每道新支撑锁定的千斤顶力,以其设计荷载的百分比表示。仅适用于从现在起安装的支撑。
在墙脚留下或堆放土壤:它能支撑开挖面(无支撑高度 −2 m),但土堤在时就无法开挖。
从基坑内的水井抽水。会降低坑底以下以及周围含水层的压力。
在建筑附近注入的水,用来把建筑下方的地下水位保持在高位。这是抽出的水再利用,而注水井会淤堵,所以最多只有抽水量的 55 % 能回灌。它也会抵消一部分降水效果。
| 建筑沉降(模型) | 0.0 mm |
|---|---|
| 墙体变形(模型) | 0.0 mm |
| 每日沉降变化 | 0.0 mm/d |
| 开挖深度 | 0.0 m |
| 无支撑高度 | 0.0 m |
| 最底支撑荷载 | 0 % |
| 已安装支撑层数 | 0 |
| 基坑下方水位降深 | 0.0 m |
| 建筑下方水位降深 | 0.0 m |
| 固结沉降 | 0.0 mm |
| 超挖天数 | 0 d |
| 累计抽水量 | 0 10³ m³ |
| 实际回灌量 | 0 m³/h |
挖掘机每天可挖 0.8 m,工程进度计划也要求这个速度。支撑班组每层需要两天,且必须等开挖低于该层 0.5 m 后才能开始,所以全速开挖时,开挖面会跑到支撑前面。墙后建筑的业主同意沉降限值为 12 mm。要在 40 天内挖到 15 m 基底标高,把建筑沉降控制在 12 mm 以下,墙体变形控制在 15 mm 以下。
地下 22 m 有一个承压砂层含水层。约 9 m 以下,坑底下方剩余的土层已压不住其水压,所以随开挖加深必须抽取含水层的水——坑底隆起安全系数全程至少 1.2。第 8 天,降水班组把水井开到 450 m³/h。相邻建筑下方、含水层之上有一层黏土。排放许可允许整个工程共排 28 万 m³。要在 45 天内挖到 15 m,最终建筑沉降不超过 30 mm。
承包商以每天 0.7 m 连续开挖,不设停工点,支撑班组至今一直跟得上。第 15 天,开挖面已到第四层支撑的位置,该层的钢材却延误一周。第 1–3 道支撑已安装。要把最底支撑保持在设计荷载以内、墙体变形低于 30 mm,并仍在第 30 天前挖到 15 m。
模拟器使用的每一个关系式及其来源。标注为假设的常数是示意性校准值。
S = EI / (γw · h⁴), h = depth − lowest strut level (unsupported height)[3][5]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]仅用于教学的示意量级,并非任何真实工地的数值。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]FS = γt·(z_aq − H) / (γw·(z_aq − z_wt − s_in)); required ≥ 1.2[10]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]仅用于教学的示意量级,并非任何真实工地的数值。∂u/∂t = c_v ∂²u/∂z²; Δσ' = −Δu; settlement = Σ m_v·Δσ'·Δz (unloading: 0.1·m_v)[8]β = (s_near − s_far) / L; 1/500 = 2 ‰ (limit where cracking is not acceptable), 1/300 = 3.3 ‰ (first cracking)[6][7]P = 0.3·γ·H · (half span above + h) · 5 m ≥ preload; shown as % of design load 2400 kN[2]仅用于教学的示意量级,并非任何真实工地的数值。reading = true value + N(0, σ); σ = 0.5 mm (settlement points), 1.0 mm (inclinometer)[1]仅用于教学的示意量级,并非任何真实工地的数值。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)仅用于教学的示意量级,并非任何真实工地的数值。随机性:带种子的 mulberry32 生成器;所用分布包括均匀分布、指数分布(逆 CDF)、正态分布(Box–Muller)和泊松分布(Knuth)。种子会显示出来,并且可以分享。
教育模型,不可用于实际运营决策。真实站点会根据自己的设备和数据校准每一个常数。