第 1 級 · 按橫撐的節奏開挖
挖掘機每日可挖 0.8 m,工程進度表也要求這個速度。橫撐班組每層需要兩天,且必須等開挖低於該層 0.5 m 後才能開始,所以全速開挖時,開挖面會跑到支撐前面。牆後樓宇的業主同意沉降限值為 12 mm。要在 40 天內挖到 15 m 底板高程,把樓宇沉降控制在 12 mm 以下,牆體變形控制在 15 mm 以下。
- 樓宇沉降從不超過 12 mm
- 結束時牆體變形 ≤ 15 mm
- 挖到 15 m 深度
你是一個 15 m 深基坑的工地工程師,基坑由五層橫撐支撐,牆後 6 m 處有一幢樓宇。模擬的每一天,模型按你設定的速度開挖,讓橫撐班組安裝下一層,按牆體無支撐部分的多少使牆彎曲,把位移擴散成樓宇下方的沉降槽,並在你抽水的地方降低地下水位。你看到的就是工地所見:帶有量度誤差的測斜儀和沉降讀數。僅為教育模擬——數字均屬示意,並非工程設計建議。
每日挖去的深度(m)。0 表示挖掘機停工。
開挖至比下一層橫撐低 0.5 m 時停工,待該橫撐安裝完畢。
每道新橫撐鎖定的千斤頂力,以其設計荷載的百分比表示。僅適用於由現在起安裝的橫撐。
在牆腳留下或堆放土壤:它能支撐開挖面(無支撐高度 −2 m),但土堤在時就無法開挖。
從基坑內的水井抽水。會降低坑底以下以至周圍含水層的壓力。
在樓宇附近注入的水,用來把樓宇下方的地下水位保持在高位。這是抽出的水再利用,而注水井會淤塞,所以最多只有抽水量的 55 % 能回灌。它亦會抵銷部分降水效果。
| 樓宇沉降(模型) | 0.0 mm |
|---|---|
| 牆體變形(模型) | 0.0 mm |
| 每日沉降變化 | 0.0 mm/d |
| 開挖深度 | 0.0 m |
| 無支撐高度 | 0.0 m |
| 最底橫撐荷載 | 0 % |
| 已安裝橫撐層數 | 0 |
| 基坑下方水位降深 | 0.0 m |
| 樓宇下方水位降深 | 0.0 m |
| 固結沉降 | 0.0 mm |
| 超挖天數 | 0 d |
| 累計抽水量 | 0 10³ m³ |
| 實際回灌量 | 0 m³/h |
挖掘機每日可挖 0.8 m,工程進度表也要求這個速度。橫撐班組每層需要兩天,且必須等開挖低於該層 0.5 m 後才能開始,所以全速開挖時,開挖面會跑到支撐前面。牆後樓宇的業主同意沉降限值為 12 mm。要在 40 天內挖到 15 m 底板高程,把樓宇沉降控制在 12 mm 以下,牆體變形控制在 15 mm 以下。
地下 22 m 有一個承壓砂質含水層。約 9 m 以下,坑底下方剩餘的土層已壓不住其水壓,所以隨開挖加深必須抽取含水層的水——坑底隆起安全係數全程至少 1.2。第 8 日,降水團隊把水井開到 450 m³/h。鄰近樓宇下方、含水層之上有一層黏土。排放許可准許整個工程共排 28 萬 m³。要在 45 日內挖到 15 m,最終樓宇沉降不超過 30 mm。
承建商以每日 0.7 m 連續開挖,不設停工點,橫撐團隊至今一直跟得上。第 15 日,開挖面已到第四層橫撐的位置,該層的鋼材卻延誤一週。第 1–3 道橫撐已安裝。要把最底橫撐保持在設計荷載以內、牆體變形低於 30 mm,並仍在第 30 日前挖到 15 m。
模擬器使用的每一個關係式及其來源。標示為假設的常數是示意校準值。
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]僅為教學用的示意量級,並非任何真實工地的數值。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]僅為教學用的示意量級,並非任何真實工地的數值。∂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]僅為教學用的示意量級,並非任何真實工地的數值。reading = true value + N(0, σ); σ = 0.5 mm (settlement points), 1.0 mm (inclinometer)[1]僅為教學用的示意量級,並非任何真實工地的數值。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)僅為教學用的示意量級,並非任何真實工地的數值。隨機性:帶種子的 mulberry32 產生器;所用分布包括均勻分布、指數分布(反 CDF)、常態分布(Box–Muller)及泊松分布(Knuth)。種子會顯示出來,並可分享。
教育模型,不可用於實際營運決策。真實場地會按自己的設備及數據校準每一個常數。