Påverkan av icke-stationaritet i friktionsvinkel på prestanda hos stagade schakt

Varför schakt intill byggnader är viktigt

Moderna städer gräver kontinuerligt djupa schakt för tunnelbanor, källare och ledningsgångar. Dessa stagade schakt måste utföras säkert i trånga kvarter, ofta bara några meter från befintliga byggnader. Om jorden rör sig mer än väntat kan väggar luta, gator sjunka och närliggande konstruktioner spricka. Denna artikel undersöker hur en subtil detalj – sättet på vilket sand blir starkare med djupet – förändrar våra prognoser för markrörelser och risken för skador vid schaktning.

Hur djupa schakt hålls tillbaka

Ett typiskt stagat schakt använder en styv underjordisk vägg och en eller flera horisontella stag för att hålla tillbaka omkringliggande jord. Projekterare oroar sig för två huvudtyper av beteende. Först finns brott i styrka, såsom att stödmuren böjs eller att stag överbelastas. Sedan finns funktionsproblem, såsom att väggen lutar för mycket eller att marken sätter sig så mycket att närliggande byggnader skadas. I praktiken sätter myndigheter, som de i Shanghai, strikta gränser för väggförflyttning och marksänkning, särskilt runt kritisk infrastruktur som tunnelbanor och ledningar. Att uppfylla dessa gränser kräver realistiska prognoser för hur jorden deformeras under schaktets gång.

Jord är aldrig fullständigt enhetlig

Ingenjörer vet att jordegenskaper varierar från plats till plats på grund av hur lager avsattes och pressades över tid. Traditionellt behandlar datorbaserade modeller en egenskap som sandens “friktionsvinkel” – som speglar hur väl korn hakar i varandra – som slumpmässigt varierande men med samma medelvärde på alla djup. Fältdata visar emellertid att sand vanligtvis blir starkare med djupet på grund av ökande tryck från överliggande material. Författarna kallar detta en icke-stationär förhållning: medelstyrkan ökar med djupet, medan spridningen runt den trenden förblir ungefär densamma.

Simulera tusentals möjliga markrörelser

För att pröva hur denna djuptrend påverkar i praktiken modellerade forskarna ett verkligt stagat schaktfall med specialiserad finite-difference-programvara. Modellen innehöll ett sandlager, en djup stödmur och ett enda stag, med grundvatten och byggsteg realistiskt representerade. De matade modellen med hundratals olika “kartor” över jordstyrka, genererade av datorn för att efterlikna naturlig slumpmässighet. I vissa serier antogs sandstyrkan vara konstant i medeltal med djupet; i andra ökade medelstyrkan linjärt med djupet, samtidigt som slumpmässiga lokala variationer tilläts. För varje fall körde de 600 simuleringar för att följa centrala responser: maximal lateral väggförskjutning, maximal markytesättning och ett nytt index kallat byggnadsväggens torsionella lutning, som mäter hur ojämn sättning får en byggnadsvägg att vrida sig.

Vad som förändras när djupare jord är starkare

Resultaten visar att man får mer pessimistiska och mindre realistiska prognoser om man ignorerar ökningen av sandstyrka med djupet. När medelfriktionsvinkeln fick öka med djupet tryckte väggen mindre ut i marken och markytan sjönk mindre. Till exempel reducerade en ökad styrkegradient den typiska maximala väggförskjutningen från omkring 29 millimeter till cirka 18 millimeter, och maximal markytesättning från ungefär 22 millimeter till så lite som 10 millimeter. Det djup där väggen böjde sig mest försköts också uppåt, eftersom den djupare, starkare jorden höll fundamentet av väggen mer stadigt. Samtidigt förblev det övergripande mönstret för var marken satte sig mest styrt av geometrin – nära den bortre kanten av intilliggande byggnad – men omfattningen av den sättningen förändrades påtagligt med styrketrenden.

Ompröva risk- och skademöjligheter

Utöver medelrörelser uppskattade teamet hur ofta gränser i enlighet med byggnormer skulle överskridas. De undersökte sannolikheter för fel för enskilda komponenter (till exempel väggböjning eller stagkraftsgränser) och för systemet som helhet, under tre skyddsnivåer baserade på Shanghais metrokriterier. När jorden behandlades som att den hade konstant medelstyrka med djupet var de beräknade chanserna att överskrida tillåtna rörelser mycket högre än när den realistiska profil med ökande styrka användes. För en måttlig skyddsnivå nästan halverades sannolikheten att någon del av systemet skulle överskrida sina gränser när djupberoende styrka inkluderades. En viktig slutsats är att differential sättning, uttryckt genom byggnadsväggens torsionella lutning, ofta dominerar den totala risken: en konstruktion som verkar säker utifrån maximal sättning ensam kan ändå utgöra en allvarlig fara för intilliggande byggnader.

Vad detta innebär för stadsbyggnad

För en lekmannaläsare är slutsatsen att små förfiningar i hur vi beskriver marken kan påverka vår bild av schaktsäkerhet avsevärt. Att behandla sand som om den hade samma medelstyrka från topp till botten överskattar hur mycket väggar kommer att luta och hur mycket marken kommer att sjunka, och kan överdriva den beräknade risken för skador. Mer realistiska modeller, där djupare jord i genomsnitt är starkare men fortfarande variabel, ger lägre och bättre riktade uppskattningar av rörelse och sannolikhet för fel. Viktigt är också att studien visar att ingenjörer bör beakta inte bara hur mycket marken sätter sig totalt, utan hur ojämn den sättningen är, eftersom vridning av byggnadsväggar kan vara en avgörande drivkraft för skador. Dessa insikter kan leda till säkrare och mer ekonomiska utformningar för djupa schakt i tätt bebyggda stadsmiljöer.

Citering: Rafi, K.M., Ering, P. Influence of non-stationarity in friction angle on the performance of the braced excavation system. Sci Rep 16, 5477 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35051-1

Nyckelord: stagat schakt, marksänkning, jordvariabilitet, urban tunnelbyggnad, schaktrisk