On Numerical Three-Dimensional Simulations of a Circular Retaining Shaft

Abstract

Midgardsormen is an ongoing upgrade of the storm water system in Oslo, managed by the Water and Sewer Administration in Oslo. Norconsult AS is geotechnical consultant to the project. As part of this project a circular retaining shaft has been installed in Norwegian soft clay, called shaft S9. The shaft has been installed by means of 66 secantpiles. Furthermore, the shaft has a maximum depth of 25.5 meters and a radius of 16 meters.

This thesis is concerned with nite element analyses of shaft S9. The construction work was completed in November 2010, and field instrumentation suggests negligible deformations due to excavation. Since results from field instrumentation alone are incapable of describing the nature of the problem, advanced three-dimensional modeling tools have been used to analyze and understand the behavior of shaft S9.

Site-specic soil properties have been interpreted from a comprehensive soil investigation program carried out at the site. Bedrock elevation varies as much as 8.5 meters within the shaft area, introducing signicant asymmetry to the geometry.

Numerical simulations have been performed in PLAXIS 3D, to some extent also in ABAQUS, and results from these have been evaluated carefully, due to uncertainty associated with input.

The shaft behaves almost as a free standing shaft, loaded by normal pressure from the soil only. This normal pressure is very close to the assumed initial lateral earth pressure at the site. Consequently the influence of soil-structure interaction on the shaft wallis marginal. Results indicate wall displacement in the order of 2-3 millimeters due to excavation. This is too little deformation for any signicant change in earth pressure to develop, and hence the initial stresses given as input control the final earth pressure loading after excavation.

The way in which rock and concrete piles are joined together has a signicant impact onthe behavior of the shaft. The assumed average penetration depth of the secant piles into bedrock of 1.0 meter corresponds to a clamped condition. Results suggest further that the minimum penetration depth required to obtain this fixity condition is 0.75 meters.

A hypothetical increase in bedrock inclination angle has shown to cause a net movement towards the shortest side of the shaft, and the structural deformation pattern is described by means of a characteristic "boot shape".

Midgardsormen er navnet på et nytt overvannsystem som er under utbygging i sentraledeler av Oslo. Utbygger er Vann- og avløpsetaten i Oslo kommune (VAV), og NorconsultAS er rådgiver på prosjektet. I forbindelse med dette prosjektet er det etablert enstartsjakt i sekantpeler for rørpressing i løsmasser, kalt sjakt S9. Sjakten er sammenstilt av 66 sekantpeler. Videre er sjakten inntil 25,5 meter dyp, og den har en diameter på16 meter.

Denne masteroppgaven omhandler elementmetodeanalyser av sjakt S9. Sjakten stodferdigstillt i november 2010, og feltinstrumentering antyder null deformasjon. Siden resultater fra feltinstrumenteringen alene ikke er i stand til å beskrive sjaktens oppførsel, har avanserte 3D-verktøy har blitt benyttet for å forstå problemets art.

Grunnforholdene i sjaktområdet har blitt kartlagt gjennom en anselig mengde grunnundersøkelser. Bergoveraten varierer med inntil 8,5 meter innenfor området hvor sjaktener installert, noe som innfører en betydelig usymmetri til problemet.

Sjaktkonstruksjonens oppførsel under jordtrykksbelastningen på stedet har blitt undersøkt gjennom forskjellige modeller i elementmetodeprogrammer. Numeriske simuleringer har blitt utført i PLAXIS 3D, til dels også i ABAQUS. Beregningsresultatene har blitt vurdert nøye, av hensyn til usikkerhet i input.

Sjaktkonstruksjonens oppførsel viser seg å i stor grad avhenge av normaltrykket denutsettes for, mens betydningen av interaksjonen mellom jord og betong vist seg å værenærmest neglisjerbar. I tillegg er sjaktens innfestingsegenskaper mot fjell av stor betydningfor oppførselen. I modellene er det antatt en gjennomsnittlig forankringslengde på1,0 meter for sekantpelene, en lengde som har vist seg å svare til en fast innspenning.Følsomheten av dette belyses gjennom følsomhetsanalyser, der en forankringslengde på 0,75 meter er minimum lengde for å oppnå fast innspenning i PLAXIS 3D for sjakt S9.

Det er videre svært interessant å se effekten av den skrå bergoveratens betydning påutbøyning og deformasjoner av sjakten, selv om disse er små. En tenkt økning i bergetshelningsvinkel skaper en betydelig skjevfordeling av deformasjoner, og det utvikles enmeget interessant og karakteristisk "støvelform".