建築——深基坑監測 即時模型

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。

你會學到甚麼

模擬器

時間 0 日
開挖深度 0.0 m · 已安裝橫撐層數 0/5 · 無支撐高度 0.0 m · 樓宇沉降(讀數) 0.0 mm · 牆體變形(測斜儀) 0.0 mm · 樓宇角變形 0.00 ‰ · 坑底隆起安全係數 1.97✓ 0.0 mm擋土牆(測斜儀)✓ β 0.00 ‰✓ 0.0 mm鄰近樓宇承壓含水層 · 坑底隆起安全係數 ✓ 1.97開挖深度 0.0 m · 0/5✓ 樓宇沉降(模型) 0.0 mm · 固結沉降 0.0 mm⇣ 降水抽水 0 · ⇡ 回灌井 0 m³/h · 樓宇下方水位降深 0.0 m
  • 橫撐已安裝
  • 橫撐安裝中
  • 超挖的開挖面
  • 低於警戒水平
  • 已達警戒水平
  • 已達行動水平
  • 土堤
  • 含水層水頭

控制項

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。

指標

樓宇沉降(讀數)
0.0mm
正常
牆體變形(測斜儀)
0.0mm
正常
樓宇角變形
0.00‰
正常
坑底隆起安全係數
1.97
正常
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

趨勢

樓宇沉降(讀數): — mm60.0-5.0

危機情景

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

第 2 級 · 鄰居樓下的降水

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。

  • 坑底隆起安全係數從不低於 1.2
  • 結束時樓宇沉降 ≤ 25 mm
  • 總抽水量 ≤ 28 萬 m³(排放許可)
  • 挖到 15 m 深度

第 3 級 · 鋼材遲到了

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。

  • 最底橫撐荷載從不超過設計值的 100 %
  • 結束時牆體變形 ≤ 30 mm
  • 挖到 15 m 深度

依據:數字背後的模型

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。

Clough 與 O'Rourke 的系統剛度:牆的抗彎剛度除以無支撐跨度的四次方。
S = EI / (γw · h⁴), h = depth − lowest strut level (unsupported height)[3][5]
每挖一米都會增加變形,增加速度隨系統剛度下降而上升;預加力可減少變形,而深於停工點的開挖面則會持續蠕變。
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。
牆後地面沉降:約為牆體變形的 0.75 倍,在 0.75 H 範圍內持平,至 2 H 處減至零(軟至中等黏土的包絡線)。
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]
留在坑底以下的土體重量,必須超過含水層向上推的承壓水壓力。
FS = γt·(z_aq − H) / (γw·(z_aq − z_wt − s_in)); required ≥ 1.2[10]
Thiem 穩定流:水位降深隨與水井距離的對數而減小;回灌井則帶來相反的效果。
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]僅為教學用的示意量級,並非任何真實工地的數值。
太沙基(Terzaghi)一維固結:降低的水壓在數日內向黏土擴散,有效應力上升,黏土便被壓縮。
∂u/∂t = c_v ∂²u/∂z²; Δσ' = −Δu; settlement = Σ m_v·Δσ'·Δz (unloading: 0.1·m_v)[8]
角變形:樓宇各處沉降之差除以樓宇長度,並與 Bjerrum 限值比較。
β = (s_near − s_far) / L; 1/500 = 2 ‰ (limit where cracking is not acceptable), 1/300 = 3.3 ‰ (first cracking)[6][7]
Peck 表觀土壓力作用於最底一道橫撐的受荷高度上;開挖面越深,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]僅為教學用的示意量級,並非任何真實工地的數值。
儀器讀數帶有量度誤差——要看趨勢,不要只看單一數值。
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。
模型使用的常數
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。

來源

  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

誰在從事這份工作

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。