Retaining walls in deep excavations

Excavations are an important area in foundation engineering. For example basement constructions in urban areas often require permanent or temporary retaining structures to support the deep excavations needed for construction. The purpose of this thesis is to look into retaining wall structures especially those used in deep excavations and the requirements for their analysis. The goal is to study the analysis procedure of retaining walls and to find out the differences between various analysis programs and to estimate the reliability of results. In the review section, basic loads and some commonly used wall types and analysis methods are studied. Furthermore the principles and theories behind analysis software are also studied. In the second part of this thesis, two actual projects, Sanomatalo built in Helsinki in 1997 and Stockmann Nevsky Centre built in St Petersburg in 2009, and solutions behind their excavations are discussed. Some comparison calculations are made with MsTuki, GeoCalc and Plaxis software and the results are compared to monitored lateral displacements. The disparity between results obtained from different analysis programs used in this study are quire moderate. The largest differences are noticed between calculated lateral displacements while calculated strut forces and bending moments are quite consistent. The calculated lateral displacements are mainly larger than those monitored. The effect of lateral displacement coefficients on displacements is noted to be much greater than their effect on strut forces. Some differences are also noticed while analyzing strut forces for permanent structures in an earth pressure at rest situation. According to this study all programs used are well suited for analyzing multi-level supported retaining walls. Creating a reliable design model and including needed details from practical projects is seen as the biggest challenge when analyzing retaining walls. Estimating the final lateral displacements is a challenging task, where many factors have an effect. To reliably predict the final displacements, the analysis should be updated during construction according to data monitored from the site.Kaivannot ovat tärkeä osa pohjarakentamista. Esimerkiksi kellaritilojen rakentaminen kaupunkien keskusta-alueille vaatii usein syvienkin rakennuskaivantojen tukemista erilaisin pysyvin tai työnaikaisin tukiseinärakentein. Tämän työn tarkoituksena on tarkastella erityisesti syvissä kaivannoissa käytettyjä maanpaineseinärakenteita sekä niiden mitoitukseen liittyviä asioita. Tavoitteena on selvittää maanpaineseinien mitoitukseen vaikuttavia tekijöitä sekä mitoituksessa käytettävistä ohjelmista saatavien tulosten eroja ja luotettavuutta. Kirjallisuusosassa selvitetään maanpaineseiniin kohdistuvia kuormituksia, yleisimmin käytettyjä seinätyyppejä ja mitoitusmenetelmiä. Lisäksi perehdytään maanpaineseinärakenteiden mitoituksessa käytettyjen laskentaohjelmien periaatteisiin ja teorioihin ohjelmien taustalla. Tutkimusosassa tarkastellaan Helsinkiin vuonna 1997 rakennetun Sanomatalon ja Pietariin vuonna 2009 rakennetun Stockmann Nevsky Centren peruskaivantojen tukemiseen käytettyjä ratkaisuja. Kohteista tehdään vertailulaskelmia MsTuki, GeoCalc ja Plaxis ohjelmilla ja laskelmista saatavia siirtymiä vertaillaan kohteista mitattuihin toteutumatietoihin. Tutkimuksessa havaitut erot käytettyjen ohjelmien laskemien tulosten välillä ovat varsin kohtuullisia. Suurimmat erot havaitaan ohjelmien laskemien siirtymien välillä, laskettujen tukivoimien ja momenttien ollessa lähellä toisiaan. Lasketut siirtymät ovat pääasiassa mitattuja siirtymiä suurempia. Käytettyjen siirtymäkertoimien vaikutus siirtymiin todetaan suhteellisesti selvästi suuremmaksi kuin niiden vaikutus tukivoimiin. Eroja ohjelmien välillä havaitaan myös, kun mitoitetaan pysyvää rakennetta lepopaineelle. Tutkimuksen perusteella käytetyt ohjelmat soveltuvat varsin hyvin usealta tasolta tuettujen seinärakenteiden mitoitukseen. Suurimpana haasteena voidaan pitää luotettavan laskentamallin luomista ja todellisen tilanteen tietojen huomioimista laskennassa. Kaivannon kokonaissiirtymien arvioiminen on vaativa tehtävä, johon vaikuttavat useat tekijät. Lopullisten siirtymien luotettavaa arviointia varten tulisi laskentaa päivittää rakentamisen aikana toteutumatietojen perusteella