Brødbæk(COWI) Nordvestbanen– Optimering af design … · cu +DTU 08 MARTS 2012 NORDVESTBANEN....
Transcript of Brødbæk(COWI) Nordvestbanen– Optimering af design … · cu +DTU 08 MARTS 2012 NORDVESTBANEN....
Michael Rosenlund Lodahl (AAU + COWI) og Kristian ThoustrupBrødbæk (COWI)
Nordvestbanen –Optimering af design ved brug af avancerede laboratorieforsøg og probabilistiske undersøgelser
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN1
Agenda
• Introduktion
• COWIs opgave
• Er eksisterende normgrundlag velegnet?
• Sikkerhed af eksisterende dæmning
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN2
• Sikkerhed af eksisterende dæmning
• "Traditionel" dimensionering af banedæmninger
• Optimering af design ved brug af avancerede laboratorieforsøg
• Optimering af design ved brug af probabilistiske undersøgelser
• Afrunding
Introduktion• Udbygning af jernbanen mellem Lejre og
Vipperød med et parallelt spor
• 20 km jernbanestrækning
• Opgraderer fra V=120 km/t til V=160 km/t
• Ombygger 4 stationer
5 overkørsler nedlægges
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN3
• 5 overkørsler nedlægges
• En række broer renoveres
• Projektperiode: 2011 – 2015
• 3 måneders sporspærring, sommeren 2012
• Anlægsbudget: ca. 1,3 mia DKK
• Projekteres af Atkins/COWI
COWIs opgaveDæmninger udlagt på blødbund
• 3 områder med ca. 25.000 m3?
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN4
400.000 m3 (!)
COWIs opgave (2)Dæmninger af varierende højde på varierende mægtighed af blødbund
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN5
Er eksisterende normgrundlag velegnet?• Eksisterende dæmninger er ca. 100 år gamle
• Konsolidering af dæmning overstået
• Ikke indmeldt urolig underbygning
• Ingen tegn på begyndende brud
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN6
Er eksisterende normgrundlag velegnet? (2)I henhold til Banenorm 1-8-1 må der ikke være jordarter af kvalitetsklasse K0 i eller under råjordsplanum eller dæmninger
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN7
Er eksisterende normgrundlag velegnet? (3)Drøftelse med BDK resulterede i:
• Sikkerhed af eksisterende dæmning må ikke blive reduceret
• Ny dæmningsdel betragtes som "nyanlæg"
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN8
som "nyanlæg"
• Anlæg a = 2 på ny side
• Umiddelbar besparelse i jordarbejde ≈ 50 mio DKK.
Sikkerhed af eksisterende dæmningGenerelt parameterstudium –
Vurdering af hvorvidt sikkerheden reduceres når der foretages en dæmningsudvidelse.
Ny Eks.
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN9
Kombination: Dæmningsfyld/analysetilstand: Underbund/analysetilstand:
1 Kohæsionsmateriale/udrænet Kohæsionsmateriale/udrænet
2 Kohæsionsmateriale/udrænet Friktionsmateriale/drænet
3 Friktionsmateriale/drænet Friktionsmateriale/drænet
4 Friktionsmateriale/drænet Kohæsionsmateriale/udrænet
5 Friktionsmateriale/drænet Kohæsionsmateriale/drænet
6 Kohæsionsmateriale/drænet Kohæsionsmateriale/drænet
Sikkerhed af eksisterende dæmning (2)Forudsætninger:
• Sikkerhed af eksisterende dæmninger kendes ikke – Antagelse: De er ikke i en egentlig karakteristisk brudtilstand.
• Vandstandsopstuvning H/3- Ved tilbageregning, til fastlæggelse af styrkeparametre, er det kritisk med et lavtstående VS
- Ved fremadrettede beregninger er det kritisk med et højtstående VS.
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN10
- Ved fremadrettede beregninger er det kritisk med et højtstående VS.
• Rumvægt- Dæmningsfyld = 19 kN/m3
- God "bund" = 20 kN/m3
- Blødbund = 14 kN/m3
Sikkerhed af eksisterende dæmning (3)
• Tilbageregning til SF = 1,0 fastlægger "krav" til styrke af dæmningsfyld/underbund
• Ny dæmningsdel anlægges
Øgede krav til styrke af
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN11
• Øgede krav til styrke af eksisterende dæmning/underbund? –Sikkerheden reduceres!
Sikkerhed af eksisterende dæmning (4)• Sand + ler (LTT) – Sikkerheden
reduceres ikke!
• Ler i dæmning (KTT) – Sikkerheden påvirkes!
• Ler i underbund (KTT) –Sikkerheden påvirkes!
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10
φn
ød
ven
dig
[°]
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN12
Sikkerheden påvirkes! Dæmningshøjde [m]
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10c
un
ød
ven
dig
[kP
a]
Dæmningshøjde [m]
"Traditionel" dimensionering af banedæmninger• Styrke- og deformationsparametre bestemmes på baggrund af in-situ forsøg
og "erfaringsregler"
• Ikke tradition for brug af avancerede laboratorieforsøg på dæmningsprojekter
=> cu = kvinge � cv, hvor kvinge (Ip,w) ≈ 0,5 – 0,6
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN13
"Traditionel" dimensionering af banedæmninger (2)Uhensigtsmæssigt med store indgreb på "eksisterende" side• BDK ejer ikke jorden• Ny VVM redegørelse tager tid
• blødbundsarbejde over 13 uger udføres i sommeren 2012• Ny afvanding kræves
Optimering af design
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN14
Optimering af design
• Styrkerne af blødbunden undersøges nærmere ved brug af avancerede laboratorieforsøg
• Sikkerheden af konstruktionen optimeres
Optimering af design ved brug af avancerede laboratorieforsøg
Blødbundsområde vest for lejre ≈ 320 m, H = 8-11 m, t = 2-10 m
• 33 geotekniske boringer (inkl. historiske)
• 3 boringer gennem spormidte
• 5 A-rørs prøver til brug for konsoliderings- og triaksialforsøg (2 rør under
15 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• 5 A-rørs prøver til brug for konsoliderings- og triaksialforsøg (2 rør under dæmning og 3 rør ved dæmningsfod)
• 5 trinvis konsolideringsforsøg
• 3 CIU
• 4 MCIU
Jordbundsforholdene• Overvejende kalkfri gytje/tørv under ny dæmningsdel => bortgraves inden
den nye dæmning etableres
• Kildekalk/kalkgytje med få indslag af tørv (kalkholdig) på banens eksisterende side
16 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
Jordbundsforholdene (2)
1, c = 25 kPa3, cv = 20-25 kPa
17 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
1, cv = 25 kPa
2, cv = 30 kPa
3, cv = 20-25 kPa
LaboratorieforsøgeneKonsolideringsforsøg:
• OCR ≥ 2 – Der benyttes OCR = 2 som øvreværdi
Triaksialforsøgene (intaktprøver) køres fra et repræsentativt spændingsniveau:
• Prøve 1 (ved maks. deviatorspænding), cuk = 104 kPa (cv = 25 kPa)
• Prøve 2 (ved maks. deviatorspænding), cuk = 302 kPa (cv = 30 kPa)
18 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Prøve 2 (ved maks. deviatorspænding), cuk = 302 kPa (cv = 30 kPa)
• Prøve 3 (ved maks. deviatorspænding), cuk = 251 kPa (cv = 20-25 kPa)
• Knuser vingen de hærdnede knolde? Skubber vingen de hærdnede knolde foran sig?
Laboratorieforsøgene (2)• 2 MCIU forsøg på nedknust kildekalk foretages => cuk ≥ 49 kPa
• Alle intakte prøver, cuk ≥ 100 kPa
• De udtagne prøver er udtaget i områder med lav cv
• kvinge = 0,5 – 0,6 på kalkfrie indslag medfører cuk ≥ 50 kPa
c ≥ 50 kPa
19 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
cuk ≥ 50 kPa
Praktikprojekt hos COWI A/S
› 9. semesters virksomhedsophold hos COWI A/S› Efterår 2011
› Arbejde med konstruktionsoptimering ved blødbund
› Probabilistisk analyse af partialkoefficient
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN, UDBYGNING AF JERNBANE MELLEM LEJRE OG VIPPERØD
20
› Probabilistisk analyse af partialkoefficient› Projekt hos AAU
› Virkelighed hos COWI
› Projektstruktur:
Michael
(Praktik)
CSS (COWI)
Geoteknik
KTBR
(COWI)
Geoteknik
PBH
(GEO)
Geoteknik
JDS (AAU)
Statistik
• Bestemmer svigtsandsynligheden for en limit state equation:
• g(X) < 0 defineres som svigt
Optimering af design ved brug af probabilistiskeundersøgelser
)()()( ER XEXRXg −=
• g(X) < 0 defineres som svigt
• Antal svigt ved mange simuleringer
• Pf kan bestemmes => β
21
)(1
fP−Φ= −β
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Procedure:
• Designparameter bestemmes• Brug af regningsmæssige værdier
• Vælges så dæmning netop er stabil
• Simulering• Udfald af variable
Fremgangsmåde
• Udfald af variable
• Er der svigt?
• Bestemmelse af Pf• Antal svigt/Antal udfald
• Er sikkerheden som ønsket?• Sammenlign med DS/EN 1990
• β = 5,2 (Brokonstruktioner)
22 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Udrænede analyser
• Brudfigur er et cirkelslag
• Sikkerhedsforhold bestemmes som:
Opstilling af svigtligninger
stabMFS = 1≥FS
• Mange momentbidrag• Forskellige afhængighed af
centrum
23
drivMFS = 1≥FS
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Mest kritiske brudfigur skal bestemmes
• Placering af rotationscenter
• Momentbidraget er forskelligt afhængig af centrum
• Svigtligningerne er valideret
• SLOPE/W
Opstilling af svigtligninger (2)
• Teoretiske løsninger
24 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Bestemmes så der netop opnås en stabil dæmning:
• I dette tilfælde
Designparameter
0),,( =zxg k γ
stabdrivopt MMz −=
• Designparameteren modellerer moment fra en kontrabanket• Stokastisk variabel
25
stabdrivopt MMz −=
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Alle parametre modelleres som stokastiske variable
• Styrker af jord
• Rumvægt
• Geometri
• Last
Generering af udfald
• Udfald skal genereres til simuleringen
• Fordelingsfunktionen anvendes
• Eksempel på udfald af:
• Forskydningsstyrke
• Toglast
26 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Flere effekter ønskes medtaget i analysen:
• Konsolidering under dæmning
• Stigende styrke med dybden
• Lokale styrkevariationer
• Korrelation mellem styrker
Udfald af forskydningsstyrken
• Korrelationslængde
• Model for forskydningsstyrken:
27
DTUc cuu += µ
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
Genererede udfald af forskydningsstyrkeMiddelværdi Korrelationslængde = 10 m
28
Korrelationslængde = 3 m Korrelationslængde = 100 m
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• To spor – primært og sekundært
• Model for toglasten
• Beskrives som ekstremlast
• Godstog er dimensionsgivende
• Model kalibreret til banenorm:
Udfaldsgenerering for toglasten
29
kN/m175980
kN/m175
==
),(F
F
model
norm
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Simuleringsmetode afgørende for tidsforbrug
• Monte Carlo
• "Brute force" metode
• Let at programmere – lang beregningstid
• Asymptotic sampling
Bestemmelse af svigtsandsynlighed
• Spredningen øges i intervaller med f
• Flere svigtudfald opnås
• Større sikkerhed på β
• Kurve fittes efter (f,β) til ekstrapolation
β = β(f=1)
30 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Betydningsfulde variable identificeres
• Alle variable fastholdes, én ændres
• Størrelse af ændring i β fortæller betydningen af parameteren
• Analysen er anvendt til parametervalg
Følsomhedsanalyse
31
Variationskoefficient på cu
08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Forskellige designcases (forskellig t)
• Kombineres med forskellig
• Højder
• Partialkoefficienter (1,5-2,0)
• DS/EN 1997 NA : γcu = 1,8KFI = 1,98 (CC3)
• Hvilken partialkoefficient giver den ønskede sikkerhed?
Resultater
• Hvilken partialkoefficient giver den ønskede sikkerhed?› DS/EN 1990 (vejregler.dk): β = 5,2 (CC3 – brokonstruktioner)
32 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN
• Ønsket sikkerhed (β = 5,2) ved γcu = 1,65 (CC3)
• Niveau fra DS415
• Forudsætninger
• Stokastiske model
• Korrelationslængde, Variationskoefficienter, spredninger
Resultater (2)
• Korrekte svigtmekanismer
• 3D effekter er ikke inkluderet (Konservativt)
• Mindre partialkoefficient betyder:
• Mindre kontrabanketter
• Billigere konstruktioner (Aktuelt på Nordvestbanen 50-70% mindre banketter)
33 08 MARTS 2012NORDVESTBANEN