Verifisering av vertikal bæreevne kapasitet for støttesystemer for utgravinger med numeriske analyser

Abstract

Denne avhandlingen er basert på en undergrunns jernbanestasjon som skal bygges i Munchen. Støttekonstruksjoner har ofte blitt studert som laterale støttekonstruksjoner, men bruken av denne type struktur for permanent vertikalt lastbæring i tillegg, øker. Den vertikale kapasiteten kan beregnes på flere måter og de ulike måtene gir ulike resultater. Sikkerhetsfaktorene for den vertikale kapasiteten beregnes numerisk ved å bruke PLAXIS 2D for å beregne jordtrykkene som virker på veggen på den aktive siden, og maksimale mulige motstandskrefter som kan virke på den passive siden. Disse resultatene brukes til å beregne sikkerhetsfaktoren for vertikal kapasiteten. Jordtrykk blir beregnet analytisk i henhold til den tyske standarden. For å sammenligne de forskjellige metodene, blir det undersøkt i hvilken grad variasjonen av friksjonsvinkler, kohesjon og jordtrykkvinkler påvirker resultatene av de forskjellige metodene. I tillegg beregnes sikkerhetsfaktorene på tre forskjellige måter for hver metode. En der motstandskrefter på den passive siden og under den nødvendige vegg dybden på den aktive siden i tillegg til spissmotstanden er hentet fra den geotekniske rapporten og de aktive jordtrykkene er hentet fra analytiske eller numeriske beregninger, en der bare spissmotstanden og det passive jordtrykket er hentet fra den geotekniske rapporten, og alle krefter på jordssiden er hentet fra analytiske og numeriske beregninger, og en der bare spissmotstanden er hentet fra den geotekniske rapporten.

I referansemodellens belastningssituasjon, ble det funnet at veggen beveger seg nedover i forhold til jorda, og skaper nesten bare oppovervirkende jordtrykk. Dette betyr at en negativ jordtryksvinkel på den aktive jordsiden må brukes til de analytiske beregningene for å oppnå resultater som ligner de numeriske resultatene. Det er også funnet at variasjon av friksjonsvinkelen gir størst spredning av resultater innen en metode, mens variasjon av jordtrykkvinkelen gir den største spredningen av resultater mellom de forskjellige metodene. Kohesjonen skaper noe, men liten variasjon i jordtrykk og sikkerhetsfaktorer. Beregningen av sikkerhetsfaktorer der alle motstandskrefter oppnås fra den geotekniske rapporten, gir resultater med minst spredning mellom de forskjellige metodene. Platemodellen gir litt mer konservative sikkerhetsfaktorer på grunn av at fotplaten hindrer den relative bevegelsen mellom jorden og den nedre delen av veggen, noe som fører til mindre oppovervirkende vertikale jordtrykk i leirlaget på sidene av veggen.

This thesis is based on an underground railway station in Munich that is to be built. Retaining structures has frequently been studied as lateral retaining structures, but the use of this structure for permanent vertical load bearing as well, is increasing. There are different methods to calculate the vertical capacity and different methods provide different results. The safety factors for the vertical capacity are calculated numerically by using PLAXIS 2D to calculate the earth pressures acting on the wall on the active side, and the maximum possible resistance forces that can act on the passive side. These results are used to calculate the safety factor for the vertical capacity. Earth pressures are calculated analytically according to the German Standard. In order to compare the different methods, it is investigated to what degree the variation of friction angles, cohesion and earth pressures angles affect the results of the different methods. In addition, the safety factors are calculated in three different ways for each method. One where resistance forces on the passive side and below the required embedment depth on the active side in addition to the tip resistance are obtained from the geotechnical report and the active earth pressures are obtained from analytical or numerical calculations, one where only the tip resistance and passive earth pressure is obtained from the geotechnical report and all forces on the soil side is obtained from analytical and numerical calculations and one where only the tip resistance is obtained from the geotechnical report.

In the load situation used in the reference model, it is found that the wall is moving downwards relative to the soil, creating nearly only upwards acting earth pressures. This means that a negative earth pressure angle on the active soil side needs to be used for the analytical calculations in order to obtain results similar to the numerical results. It is also found that variation of the friction angle gives the largest spread of results within one method, while varying the earth pressure angle gives the largest spread of results between the different methods. The cohesion creates some, but little variation in the earth pressures and safety factors. The safety factor calculation where all resistance forces are obtained from the geotechnical report, provides results with least spread between the different methods. The plate model provides slightly more conservative safety factors due to the foot plate hindering the relative movement between the soil and the lower part of the wall, which leads to smaller vertical earth pressures in the clay layer on both sides of the wall.