Numerische Modellierung eines tiefen Schlitzwandschachtes im überkonsolidierten Boden des Wiener Raums

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der numerischen Modellierung eines rund 33 m tiefen Schlitzwandschachtes im überkonsolidierten Boden des Wiener Raums, der im Zuge des U-Bahn Ausbaues als verbleibende Baugrubensicherung in das neuerrichtete Schachtbauwerk der U2-Station Matzleinsdorfer Platz integriert wird. Aufgrund der unmittelbaren Nähe zu verformungssensiblen Bestandsobjekten wurde eine umfangreiche messtechnische Verformungsüberwachung vorgesehen. Es werden auf der Finiten-Elemente-Methode basierende, numerische zweidimensionale und dreidimensionale Berechnungsmodelle mithilfe der Software Plaxis erstellt. Dabei werden höherwertige, elasto-plastische Materialmodelle mit isotroper Verfestigung (Hardening Soil Modell mit bzw. ohne small strain stiffness) verwendet. Die in der Finite-Elemente-Berechnung angewendeten Bodensteifigkeitsparameter des Hardening Soil Modells (HS-Modell) wurden dabei aus Labor- und Feldversuchen abgeleitet. Darüber hinaus werden zusätzliche Stoffparameter für das Hardening Soil Modell mit small strain stiffness (HSS-Modell) auf Basis der Literatur ermittelt. Aufgrund der geringen hydraulischen Durchlässigkeit der miozänen Bodenschichten wird der Einfluss verschiedener Drainagebedingungen (drainiert, undrainiert, Konsolidation) auf das Verformungsverhalten der Schlitzwände und der Aushubsohle des Schachtes untersucht. Daraus ergeben sich insgesamt 24 unterschiedliche Berechnungsmodelle. Zur Validierung der Modelle werden die Ergebnisse der Verformungsberechnung den in-situ Messergebnissen des ausgeführten Schachtes gegenübergestellt. Weiters wird eine Bodenparameter- sowie Sensitivitätsstudie durchgeführt, um die Einflüsse der Bodenparameter und Bauteilsteifigkeiten auf das Verformungsverhalten des Schachtes zu analysieren. Dabei wird der Einfluss der geologischen Vorbelastung der überkonsolidierten, miozänen Bodenschichten anhand der Variation des Pre-Overburden-Pressure (POP) sowie eine Variation der Scher- und Steifigkeitsparameter auf Basis einer statistischen Normalverteilung und deren Standardabweichung untersucht. Zusätzlich wird der Einfluss der Bauteilsteifigkeiten des Schachtes auf das Verformungsverhalten der Schlitzwände und der Aushubsohle untersucht, indem die Schlitzwanddicke der Baugrubenumschließung und die Breite der Betonaussteifungsträger variiert werden.

This diploma thesis deals with the numerical modelling of a 33 m deep excavation in the overconsolidated soil of Vienna. The retaining walls of the pit were realized by diaphragm walls which will be integrated into the newly erected shaft of the new metro station Matzleinsdorfer Platz. Due to deformation-sensitive adjacent buildings, extensive deformation monitoring was planned. Numerical 2D- and 3D-models based on the finite element method are created using the Plaxis software. Higher quality, elastoplastic material models with isotropic hardening are used. The soil stiffness parameters of the Hardening Soil Model (HS model) used in the finite element calculation were derived from laboratory and field tests. Also, additional material parameters for the Hardening Soil model with small strain stiffness (HSS model) are determined based on an extensive literature study. Due to the low hydraulic permeability of the miocene soil layers, the influence of different drainage conditions (drained, undrained, consolidation) on the deformation behaviour of the diaphragm walls and the excavation base is also investigated. This results in a total of 24 calculation models. The results of the deformation calculation are compared with the in-situ measurement results of the actual shaft to validate the soil stiffness parameters and the material models used in the calculations. After a detailed discussion of the calculation results, a suitable calculation model is selected for the further soil parameter and sensitivity study. In the soil parameter study, the influence of the pre-consolidation pressure of the overconsolidated, miocene soil layers on the deformation behaviour of the diaphragm walls and the excavation base is investigated by means of the variation of the pre-overburden pressure (POP) in the calculation model. Furthermore, assuming that all applied soil parameters are statistically descriptable by a normal distribution, both the shear parameters and the stiffness parameters are varied in the calculation model, depending on the standard deviations estimated from literature. The thickness of the diaphragm wall and the width of the concrete beam props are varied in the course of the sensitivity study to investigate the influence of the structural elements of the shaft on the deformation behaviour of the diaphragm walls and the basal heave.