Μετακινήσεις σε έδαφος και κτίρια από την κατασκευή διαφραγματικών τοίχων

Abstract

The intense residential construction and the reconstruction of buildings into already formed urban fabric characterizes the development of cities in recent decades and often leads to the need for interventions that inevitably affect the existing structures. These interventions, combined with the growing demands of buildings for facilities and parking spaces, increasingly require deep underground excavations in a densely built-up urban environment. However, although it is already known that the construction of a retaining wall affects the stress condition of the subsoil and may lead to displacements of the adjacent ground and the existing structures, the common design logic still ignores this stage during the design process, considering the walls “wished in place”. This PhD dissertation specializes in the control of the movements induced in the ground and/or in existing structures during the installation of diaphragm walls in granular/sandy and cohesive/clayey soil materials of various mechanical characteristics, as well as the shear stress that they receive. In the theoretical part, the dissertation outlines the various types of retaining structures and their selection criteria, extensively describes the construction process of diaphragm walls and also refers to the “bentonite” material which is supportively used during the trenching of the panels. Subsequently, the dissertation briefly presents the numerical analysis software used in the simulations, introductory data on the stresses and deformations of the soil that the software adopts, as well as the basic characteristics of the constitutive models selected for the simulation of soil mechanical behaviour. The following is a brief literature review of previous research conducted by various researchers and the presentation of the technique followed in the simulations. Last step is the process of verification and validation of the analysis model used for the construction of a single diaphragm wall panel, a necessary step that makes the model reliable or not for application in relevant studies. The practical part of the dissertation includes three-dimensional (3D) simulations of the construction of either a single panel or a multi-panel part of a diaphragm wall under free field conditions or near an existing building. Moreover, it examines the influence exerted on the developing movements by parameters such as: the geometric characteristics of the panel (length, width, height), the density of the bentonite slurry and the selected critical height (Hcrit) during the concreting process. Regarding the building, are examined characteristics such as: the distance between the building and the diaphragm wall panel, the building area, the load transferred to the subsoil by the building, the stiffness of the building’s foundation, as well as the case of an artificial relaxation in a soil volume between the building and the panel. During the investigation of a multi-panel part of a diaphragm wall the influence of the construction sequence of the panels is also examined, alternately or in sequence. Finally, using a two-dimensional (2D) software, it is investigated whether the conduction of simplified simulations using axisymmetry can lead to safe preliminary conclusions about the range of movements’ values during the construction of a single diaphragm wall panel in free field versus the complex three-dimensional simulations. The evolving movements are calculated, are being compared with those of the three-dimensional simulations and, then, relevant conclusions are drawn.

Η έντονη οικιστική δόμηση και οι ανακατασκευές κτιρίων μέσα σε ήδη διαμορφωμένο αστικό ιστό χαρακτηρίζει την ανάπτυξη των πόλεων τις τελευταίες δεκαετίες και οδηγεί συχνά στην ανάγκη επεμβάσεων που επηρεάζουν, αναπόφευκτα, και τις υπάρχουσες κατασκευές. Οι επεμβάσεις αυτές, σε συνδυασμό με τις αυξανόμενες απαιτήσεις των κτιρίων για εγκαταστάσεις και θέσεις στάθμευσης, απαιτούν όλο και πιο συχνά την εκτέλεση υπόγειων εκσκαφών σε πυκνά δομημένο αστικό περιβάλλον. Ωστόσο, παρόλο που είναι ήδη γνωστό ότι η κατασκευή ενός έργου αντιστήριξης επηρεάζει το εντατικό πεδίο του υπεδάφους και μπορεί να οδηγήσει σε μετακινήσεις του παρακείμενου εδάφους και των υφιστάμενων κατασκευών, η κοινή σχεδιαστική λογική εξακολουθεί να μη συμπεριλαμβάνει το στάδιο αυτό στη σχεδιαστική διαδικασία, θεωρώντας τους εν λόγω τοίχους «wished in place». Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο την εκτίμηση των μετακινήσεων που αναπτύσσονται στο έδαφος ή/και σε υφιστάμενα κτίρια κατά την κατασκευή διαφραγματικών τοίχων σε κοκκώδη/αμμώδη και συνεκτικά/αργιλικά υλικά διαφόρων μηχανικών χαρακτηριστικών, καθώς και της διατμητικής καταπόνησης που υφίστανται. Στο θεωρητικό μέρος, περιγράφονται, αρχικά, οι διάφοροι χρησιμοποιούμενοι τύποι αντιστήριξης και τα κριτήρια επιλογής τους, αναλύεται εκτενώς η διαδικασία κατασκευής διαφραγματικών τοίχων, ενώ γίνεται αναφορά και στο υλικό «μπεντονίτης» το οποίο χρησιμοποιείται υποστηρικτικά κατά τη διάνοιξη των πανέλων. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται συνοπτικά το λογισμικό αριθμητικής ανάλυσης που χρησιμοποιήθηκε στις αναλύσεις της παρούσας διατριβής, εισαγωγικά στοιχεία για τις τάσεις και τις παραμορφώσεις του εδάφους που αυτό υιοθετεί, καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά των καταστατικών μοντέλων που επιλέγονται για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς του εκάστοτε εδαφικού προσομοιώματος. Ακολουθεί μία σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση προγενέστερης έρευνας που πραγματοποιήθηκε έως σήμερα από διάφορους ερευνητές και κατόπιν παρουσιάζεται η τεχνική που ακολουθήθηκε στις αναλύσεις. Τελευταίο βήμα αποτελεί η διαδικασία επαλήθευσης (verification) και επικύρωσης (validation) του χρησιμοποιούμενου μοντέλου ανάλυσης ως προς την κατασκευή μεμονωμένου πανέλου διαφραγματικού τοίχου, διαδικασία απαραίτητη καθώς καθιστά το μοντέλο αξιόπιστο ή μη για εφαρμογή σε σχετικές μελέτες. Το πρακτικό μέρος της διδακτορικής διατριβής περιλαμβάνει τριδιάστατες (3D) αναλύσεις της κατασκευής είτε μεμονωμένου πανέλου είτε τμήματος πολλαπλών πανέλων διαφραγματικού τοίχου υπό συνθήκες ελεύθερου πεδίου (free field) ή κοντά σε υφιστάμενο κτίριο. Επιπλέον, εξετάζεται η επιρροή που ασκούν στις αναπτυσσόμενες μετακινήσεις παράμετροι όπως: τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του πανέλου (μήκος, πλάτος, ύψος), η πυκνότητα του εναιωρήματος μπεντονίτη και το επιλεγέν κρίσιμο ύψος σκυροδέτησης. Όσον αφορά το κτίριο εξετάζονται χαρακτηριστικά όπως: η απόσταση κτιρίου - πανέλου, το εμβαδόν και το φορτίο του κτιρίου, η δυσκαμψία της θεμελίωσης, καθώς και η περίπτωση παρουσίας τεχνητής χαλάρωσης σε εδαφικό όγκο μεταξύ κτιρίου και υπό κατασκευή πανέλου. Κατά τη διερεύνηση τμήματος διαφραγματικού τοίχου εξετάζεται, επιπλέον, και η επιρροή της κατασκευαστικής αλληλουχίας των πανέλων, εναλλάξ ή σε σειρά. Τέλος, με χρήση διδιάστατου (2D) -αυτή τη φορά- λογισμικού, διερευνάται κατά πόσο η διεξαγωγή απλουστευμένων αναλύσεων με χρήση αξονοσυμμετρίας (axisymmetry) μπορεί να οδηγήσει σε ασφαλή προκαταρκτικά συμπεράσματα για τα εύρη τιμών των μετακινήσεων κατά την κατασκευή μεμονωμένου πανέλου διαφραγματικού τοίχου σε ελεύθερο πεδίο (free field) έναντι των σύνθετων τριδιάστατων προσομοιώσεων. Υπολογίζονται οι αναπτυσσόμενες μετακινήσεις, συγκρίνονται με τις αντίστοιχες των τριδιάστατων αναλύσεων και εξάγονται τα σχετικά συμπεράσματα.