Yhdeltä tasolta tuetun tukiseinän herkkyystarkastelu ja optimointi

Abstract

Tukiseiniä käytetään rakennuskaivantojen seinien tuentaan kaupunkialueilla tai muuten ahtailla rakennusalueilla. Tukiseinä mitoitetaan Eurokoodin ja tämän kansallisten liitteiden mukaan. Tukiseiniä käytetään tapauskohtaisesti työnaikaisina tai pysyvinä rakenteina. Mitoituksessa pyritään löytämään taloudellisesti paras ratkaisu, joka täyttää kohteen ja työmaan rakenteelliset vaatimukset. Tukiseinälaskennan mitoitus on työläs prosessi, sillä mitoituksessa toistetaan tiettyjä mekaanisia laskentavaiheita parasta vaihtoehtoa etsittäessä. Tukiseinien mitoituksessa käytetään lähtötietoina maan parametrejä, jotka saadaan alueella tehtyjen pohjatutkimusten tuloksista. Parametrien paikkansapitävyyteen liittyy tiettyä epävarmuutta, sillä mitoitettavalla alueella suoritetut pohjatutkimukset eivät kerro kokonaiskuvaa koko alueen pohjaolosuhteista. Pohjatutkimuspisteiden välillä saattaa olla suuriakin eroja, joten suunnittelija joutuu tekemään jonkinlaisia oletuksia maan ominaisuuksista tehtyjen pohjatutkimustulosten perusteella. Parametrien epävarmuutta aiheutuu myös esimerkiksi mittausepävarmuudesta, tilastollisesta epävarmuudesta ja alueellisesta hajonnasta. Tässä työssä kehitettiin Excel-työkalu, joka tekee tukiseinän upotussyvyyden optimoinnin automaattisesti ja laskee samalla optimoidulle ratkaisulle mitoituskuormat Eurokoodin mukaisesti. Upotussyvyyden optimointiin ja mitoituskuormien laskentaan käytettiin GeoCalc-laskentaohjelmaa. Kehitettyä työkalua sovellettiin lähtötilanteen parametrien herkkyystarkasteluun kahdella laskentatapauksella: kitkamaalla ja savimaalla. Herkkyystarkasteluissa mallinnettiin tiettyjä lähtötilanteen parametreja satunnaislukuina, jotka noudattavat normaalijakaumaa. Herkkyystarkasteluilla tarkasteltiin, mihin maan ominaisuuksiin ja muihin lähtötietoihin suunnittelijan kannattaa kiinnittää huomio. Ensin tarkasteltiin yksittäisiä muuttujia ja lopuksi kaikkia muuttujia samanaikaisesti. Mallinnetut lähtöarvot olivat maan lujuus (kitkamaalla kitkakulma, savimaalla suljettu leikkauslujuus), suljetun leikkauslujuuden kasvu syvyyden mukaan, tukiseinän seinäkitkat, pohjavedenpinnan taso ja ankkurin tai sisäpuolisen tuen asennussyvyys. Saatuja tuloksia verrattiin kahdella tavalla toteutettujen mitoituslaskelmian tulokseen. Toinen mitoituslaskelma suoritettiin muuttujien odotusarvoilla ja toinen tehtiin hieman odotusarvojaan heikommilla muuttujien arvoilla. Jokainen mitoituslaskelma sisälsi ilman ulkoista kuormaa toteutettavan laskennan sekä ulkoisen kuorman kanssa toteutettavan laskennan. Heikommilla mitoituslaskelmilla mallinnettiin suunnittelutilannetta, jossa laskennalle haetaan lisävarmuutta käyttämällä hieman heikompia lähtöarvoja. Kehitetty laskentatyökalu toimi halutulla tavalla ja herkkyyslaskennat saatiin suoritettua molemmille laskentatapauksille. Tulosten perusteella tarkastelluista muuttujista maan lujuudella oli selkeästi suurin vaikutus saatuihin tuloksiin. Muut yksittäiset muuttujat eivät heikentäneet tulosta mitoituslaskennan tulosta huonommaksi. Kaikkien muuttujien yhteisvaikutuksella saatiin prosentuaalisesti enemmän heikkoja tuloksia kuin yksittäisten muuttujien yhteenlaskettu heikkojen tulosten prosentuaalinen määrä. Poikkeuksena muihin tuloksiin, savimaalla tehtyjen ulkoisen kuorman herkkyyslaskelmien tuloksista yli puolet tuottivat paremman tuloksen kuin odotusarvoilla tehty mitoituslaskenta. Tulosten perusteella passiivimaanpaineen tehokas mobilisaatioaste alkaa lähestyä murtoa (mobilisaatioaste = 1,0) tilanteessa, jossa mitoitettavan tilanteen lähtöarvoista poiketen kitkakulma on pieni, seinäkitka passiivipuolella on pieni ja pohjavedenpinta on lähempänä maanpintaa. Tulosten perusteella mitoituslaskelmissa tehdyt alkuolettamukset olivat onnistuneet, sillä kitkamaan tapauksessa noin 90 % tuloksista tuotti paremman varmuuden tilanteelle mitoituslaskelmaan verratessa. Savimaan tapauksessa noin 97 % tuloksista tuotti paremman tuloksen.

Retaining walls are used to support walls of excavation in urban or other densely built construction areas. Retaining walls are designed according to the Eurocode and its national appendixes. Retaining walls are used case-specifically either as temporary or permanent structures. The goal of the design is to find the most economical solution that meets the structural demands of the target solution and of the construction site. Retaining wall design is a laborious process in which the mechanical calculation phases are repeated in the process of finding the optimal solution. Parameters for the retaining wall design are received from the ground investigations that are completed in the construction area. There remains some uncertainty in the parameters as the results of the ground investigations do not fully reveal the construction area properties. The designer has to make some assumptions about the results of the parameters, as there could be considerable differences with the parameters between the ground investigation points. Uncertainty of measurements, uncertainty of statistics and regional dispersion are also examples of the factors that cause uncertainty of the parameters. In this thesis an excel tool was developed that automatically optimizes the embedment depth of the retaining wall and also calculates the design loads for the solution according to the Eurocode. Optimization and design loads were calculated with GeoCalc program. The excel tool was also used for a sensitivity analysis about the design parameters in two different cases: with friction soil and with clay soil. Sensitivity analysis was concluded by modelling the design parameters as random variables with normal distribution. The goal of the sensitivity analysis was to find out which design parameters have a significant effect on the results. First, the analysis was concluded with each parameter one at a time and in the end all the parameters were modelled at the same time. The modelled parameters were strength of the soil (friction angle in friction soil, undrained shear strength for clay), growth of the undrained shear strength for clay, wall frictions for the retaining wall, water level and the installation level for the anchor or strut. The results of the sensitivity analysis were compared to two design calculations. One design calculation was completed with the expected values of the parameters, the other one was completed with parameter values slightly weaker than the expected values. Each design calculation includes two parts: one with the external load and one without it. Weaker parameter values were used to model a real situation in which the designer seeks better reliability for the design case by using weaker parameters. The developed excel tool works as planned and the sensitivity analysis was completed with both design cases. The soil strength had by far the most effect to the results. Other individual parameters had no diminishing effect to the results when comparing them to the desing calculations. When all the parameters were applied simultaneously as random values the percentual share of weak results was higher than the percentual share of weak results of all the individual parameter results combined. One exception was found as the results of the sensitivity analysis of the clay case using the external load had more than half of the cases giving better results than the design case using the expected values of the parameters. The effective mobilization of the passive earth pressure was closing up to a break point (mobilization = 1,0) when the soil strength was smaller, passive wall friction was smaller and water lever was closer to earth’s surface compared to the used parameters of the design case. Assumptions that were made in the design case were successful based on the results. In the friction soil case about 90 % of the results gave better reliability compared to the design case. And the clay soil results gave better realibility in about 97 % of the cases.