Αριθμητική προσομοίωση συστήματος αντιστήριξης σε βαθιά εκσκαφή

Abstract

Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία επικεντρώθηκε στα κύρια σημεία τα οποία χρίζουν ιδιαίτερης προσοχής κατά το σχεδιασμό ενός συστήματος αντιστήριξης μιας βαθιάς εκσκαφής. Πιο συγκεκριμένα, ασχοληθήκαμε με την ανάλυση και την αριθμητική προσομοίωση ενός πασσαλότοιχου με αγκύρια. Αρχικά, βασικό είναι να επιλεγεί το βέλτιστο σύστημα αντιστήριξης με βάση τα χαρακτηριστικά, τις ανάγκες και τους περιορισμούς που έχει το υπό μελέτη έργο. Επιλέγοντας ως βέλτιστη λύση την κατασκευή τοίχου αντιστήριξης με αγκύρια αναλύθηκε η λειτουργία και ο τρόπος σχεδιασμού κάθε επιμέρους τμήματος της κατασκευής. Το βασικότερο στοιχείο του έργου είναι τα αγκύρια γιατί είναι αυτά τα οποία ουσιαστικά παραλαμβάνουν τις ωθήσεις των γαιών. Για να επιλεγούν οι θέσεις και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους είναι σημαντικό να προσδιοριστεί η κρίσιμη επιφάνεια αστοχίας κατά μήκος της οποίας το πρανές ολισθαίνει. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι προσεγγιστικού αριθμητικού υπολογισμού της κρίσιμης επιφάνειας ολίσθησης, κάποιες από τις οποίες αναλύονται στην παρούσα εργασία. Επίσης, σημαντικό ρόλο στην κατασκευή έχει ο πάσσαλος. Για να επιλεγεί η κατάλληλη διατομή του πασσάλου θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η μέγιστη ροπή η οποία αναπτύσσεται σε αυτόν. Για το σκοπό αυτό υπάρχουν 2 μέθοδοι, η μέθοδος των αρθρώσεων και της ζώνης επιρροής. Ταυτόχρονα μπορεί να προβλεφθεί επίσης προσεγγιστικά η συμπεριφορά του πετάσματος αλλά και η μορφή των μετακινήσεων τόσο του τοίχου όσο και του αντιστηριζόμενου εδάφους. Περιγράφονται συνοπτικά κάποιες από τις μεθόδους προσδιορισμού των μετακινήσεων του εδάφους, καθώς και οι κυριότεροι περιορισμοί στις βυθίσεις του λόγω της εκσκαφής, ώστε να εξασφαλιστεί η ακεραιότητα των γειτονικών κατασκευών. Επίσης, αναπτύχθηκε αριθμητικό προσομοίωμα βασισμένο στα χαρακτηριστικά του εδάφους και της κατασκευής του τοίχου αντιστήριξης στο σταθμό του μετρό «ΚΕΡΑΜΙΚΟΣ». Με τη βοήθεια του αριθμητικού προσομοιώματος, ελέγχθηκε αν έχουμε την αναμενόμενη συμπεριφορά τόσο στο πέτασμα όσο και στις βυθίσεις της επιφάνειας του εδάφους αλλά και πως μεταβάλλεται η τάση κατά μήκος των 6 αγκυρίων της κατασκευής. Τέλος, έγινε προσπάθεια προσδιορισμού της κρίσιμης επιφάνειας ολίσθησης του πρανούς με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Στη συνέχεια συγκρίθηκαν οι επιφάνειες που προέκυψαν με εκείνες που υπολογίσθηκαν με βάση τις μεθόδους της οριακής κατάστασης ισορροπίας (Bishop, Janbu, Spencer, Fellenius).

The present thesis focuses on the main issues that are significant for the design of a retaining wall which supports a deep excavation. Especially, we dealt with the analysis and numerical simulation of an anchored sheet pile wall. Initially, the main goal is to choose the optimal and most appropriate solution which will be based on the characteristics of the soil, the needs and the demands of the structure. For the case at hand, the most suitable choice is an anchored sheet pile wall. For each part of the structure, its general behavior and the key points followed for its design are indicated. The anchors are one of the most important part of the structure as they sustain the earth pressure in its whole. In order to select the positions and the geometric characteristics of the anchor system it is significant to determine the critical failure surface along which the slope slides. There are a lot of methods to approximate this critical surface. Next, the pile has a vital role in the structure. In order to select the most suitable pile section we calculate the maximum moment that occurs in the pile. For the determination of this moment we use two methods, the hinge method and the tributary method. At the same time, we can predict somehow the behavior of the wall and the form of the movements of the wall and the soil. We present briefly, some of the usual methods of estimating the soil’s movements and the main restrictions of the movement of the settlements in order to ensure the integrity of the adjacent buildings and structures. Finally, a numerical model, based on the soil’s parameters and the geometrical characteristics of the wall which has been constructed at the metro station "KERAMIKOS", was developed. With the help of the numerical model, we check the behavior of the wall, the reaction of the surface soil during the excavation’s steps and the variation of the stress along the six anchors of the structure. Furthermore, we tried to determine the critical failure surface by the finite element method and compare the results with those given by the methods of limit equilibrium (Bishop, Janbu, Spencer, Fellenius).