建筑工程——深基坑监测 实时模型

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。

你将学到什么

模拟器

时间 0 天
开挖深度 0.0 m · 已安装支撑层数 0/5 · 无支撑高度 0.0 m · 建筑沉降(读数) 0.0 mm · 墙体变形(测斜仪) 0.0 mm · 建筑角变形 0.00 ‰ · 坑底隆起安全系数 1.97✓ 0.0 mm挡土墙(测斜仪)✓ β 0.00 ‰✓ 0.0 mm相邻建筑承压含水层 · 坑底隆起安全系数 ✓ 1.97开挖深度 0.0 m · 0/5✓ 建筑沉降(模型) 0.0 mm · 固结沉降 0.0 mm⇣ 降水抽水 0 · ⇡ 回灌井 0 m³/h · 建筑下方水位降深 0.0 m
  • 支撑已安装
  • 支撑安装中
  • 超挖的开挖面
  • 低于警戒水平
  • 已达警戒水平
  • 已达行动水平
  • 土堤
  • 含水层水头

控制

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。

指标

建筑沉降(读数)
0.0mm
正常
墙体变形(测斜仪)
0.0mm
正常
建筑角变形
0.00‰
正常
坑底隆起安全系数
1.97
正常
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

趋势

建筑沉降(读数): — mm60.0-5.0

危机场景

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

第 2 级 · 邻居楼下的降水

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。

  • 坑底隆起安全系数从不低于 1.2
  • 结束时建筑沉降 ≤ 25 mm
  • 总抽水量 ≤ 28 万 m³(排放许可)
  • 挖到 15 m 深度

第 3 级 · 钢材迟到了

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。

  • 最底支撑荷载从不超过设计值的 100 %
  • 结束时墙体变形 ≤ 30 mm
  • 挖到 15 m 深度

依据:数字背后的模型

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。

Clough 与 O'Rourke 的体系刚度:墙的抗弯刚度除以无支撑跨度的四次方。
S = EI / (γw · h⁴), h = depth − lowest strut level (unsupported height)[3][5]
每挖一米都会增加变形,增加速度随体系刚度下降而上升;预加力可减少变形,而深于停工点的开挖面则会持续蠕变。
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。
墙后地面沉降:约为墙体变形的 0.75 倍,在 0.75 H 范围内持平,至 2 H 处减至零(软至中等黏土的包络线)。
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]
留在坑底以下的土体重量,必须超过含水层向上顶的承压水压力。
FS = γt·(z_aq − H) / (γw·(z_aq − z_wt − s_in)); required ≥ 1.2[10]
Thiem 稳定流:水位降深随与水井距离的对数而减小;回灌井则带来相反的效果。
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。
太沙基(Terzaghi)一维固结:降低的水压在数日内向黏土扩散,有效应力上升,黏土便被压缩。
∂u/∂t = c_v ∂²u/∂z²; Δσ' = −Δu; settlement = Σ m_v·Δσ'·Δz (unloading: 0.1·m_v)[8]
角变形:建筑各处沉降之差除以建筑长度,并与 Bjerrum 限值比较。
β = (s_near − s_far) / L; 1/500 = 2 ‰ (limit where cracking is not acceptable), 1/300 = 3.3 ‰ (first cracking)[6][7]
Peck 表观土压力作用于最底一道支撑的受荷高度上;开挖面越深,它承受的越多。
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。
仪器读数带有测量误差——要看趋势,不要只看单一数值。
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。
模型使用的常数
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。

来源

  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

谁在从事这份工作

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。