2. Фундаменти глибокого закладання при спорудженні будівель висотою 450м і вище

За останні два десятиліттяу світіспостерігається безпрецедентне зростаннябудівництвахмарочосіввисотою більше150 м.Нарис. 1.1показанокількістьвисотних будівель, побудованихзанедавнєдесятиліття(CTBUH, 2008). З цьогомалюнка видно, щокількістьподібнихспоруд зростаємайжевгеометричній прогресії. Значна кількістьвисотнихбудинків було побудованонаБлизькому Сході, іще більшебудівельсьогодні проектуютьсяабознаходятьсявпроцесібудівництва. Веміраті Дубайзнаходитьсянайвища будівлянасьогоднішнійдень-«Бурж Дубай», висотаякогопозакінченні будівництваповиннабудеперевищити позначку800 м, алетамжевжейдебудівництвоіншоївисотноївежі-Нахил, висотаякоїперевищить1000 м.

Рис. 1.1. Кількістьвисотних будівель, побудованихзанедавнєдесятиліття(CTBUH, 2008).

Супервисокібудівлі(будівлі з висотоюпонад300 м) ставлятьпередінженераминові завдання, особливовобластірозрахунківіпроектуваннянадземнихконструкцій, основ і фундаментів. Багато традиційніметоди проектуваннястаютьнепридатні, оскільки вимагаютьекстраполяції, набагатовиходить за рамкипопереднього досвіду.

ЕМІРАТСЬКИЙ ПРОЕКТ

Геотехнічні вишукування і характеристики майданчика

У розпорядженні проектувальників були дані попередніх геотехнічних вишукувань на майданчику, зроблених по ряду свердловин глибиною близько 15 м. Згідно з цими даними, грунт на майданчику складається з шарів піску і пилувато піску, підстилаються відкладеннями від дуже слабких до слабких пісковиків, в свою чергу підстилаються слабкими і помірно слабкими кальцісільтітамі. Для будівництва веж-близнюків цієї попередньої інформації було недостатньо, і тому було проведено повне інженерно-геологічне дослідження будови майданчика. До його складу входило буріння 23 свердловин на максимальну глибину до 80 м. Найбільш глибокі свердловини перебували під проектованої вежею, у той час як свердловини, розташовані під малоповерхове зонами, мали значно меншу глибину. Випробування на стандартне зондування (SPT) були проведені на номінальну глибину 1 м у верхніх 6 м кожної свердловини, а потім з інтервалом в 1,5 м, до тих пір, поки не досягалося значення SPT, рівне 60. Величини SPT в цілому варьі-ровать від 5 до 20 у верхніх 4 м, збільшуючись до 60 на глибині від 8 до 10 м. Потім проводився відбір кернів грунту за допомогою колонкового буріння. Винос кернів зазвичай становив 60-100%, а значення за шкалою якості корінних порід (RQD) варіювалися від 60 до 100%. На рис. 4.3 представлена ​​інформація по свердловинах, розташованим в розрізі, що відноситься до обох башт. Було виявлено, що стратиграфія була відносно однорідна по всій території майданчика. Тому було вирішено охарактеризувати майданчик єдиної геотехнічної моделлю. Поверхня грунту була в середньому на рівні +1 ... +3 м в системі DMD, тоді як рівень грунтових вод знаходився відносно близько до поверхні, в середньому на рівні 0 ... -0,6 м DMD (Дубайська муніципальна система висот, Dubai Municipality datum) . Геологічні вишукування показали присутність семи основних геологічних шарів, які наведені в таблиці 1.1 з описом грунтових характеристик, загальноприйнятих в еміраті Дубай.

Рис. 1.3. Геотехнічніумовинамайданчикубудівництваеміратськихвеж.

Табл. 1.1. Основнігеологічніелементинамайданчикубудівництваеміратськихвеж.

Номер слоя	Назва	Опис слоя	Середнявідмітканизушарупо геологічногопрофілю, м (в системіDMD)
1	пилуватий пісок	Незцементованівапнянийпилуватий пісок; відрихлогодосередньої щільності	-3,3
2	пилуватий пісок	Нерівномірноіслабозцементований вапнянийпилуватий пісок	-8,1
3	Піщаник	Вапнянийсильнозцементований піщаник, зі ступенемвивітрюваннявід слабкої досильної	-26,8
4	пилуватий пісок	Вапнянийпилуватий пісок, нерівномірно зцементований, з локальнимисильно зцементованийпрошарками	-33,1
5	Кальцісільтіт	Знерівномірноюступенемвивітрювання, з дужеслабкої допомірносильним ступенем цементації	-53,5
6	Кальцісільтіт	То же, что 5	-68,5
7	Кальцісільтіт	То же, что 5	-79

У силу того, що грунтові умови поряд з поверхнею були оцінені як відносно гарні, було вирішено, що для кожної з веж підходящим рішенням буде плитно-фундамент палі. Для проектування подібної системи фундаменту необхідно володіти даними по міцності і жорсткості грунту.

В результаті проведених польових і лабораторних випробувань були виявлені такі особливості, важливі при проектуванні фундаментів: - Сейсмічні випробування однорідності майданчика в свердловинах не виявили значних варіацій швидкості поширення сейсмічної хвилі, що свідетельствовует про відсутність на обстежених територіях великих тріщин і порожнеч. - Міцність зцементованих включеній класифікувалася в середньому як слабка або дуже слабка, значення їх міцності на одновісний стиск змінювалися від 0,2 до 4 MПа, при цьому більшість значень знаходилося в проміжку 0,5 ... 1,5 МПа. - Середнє значення кута внутрішнього тертя грунтів, розташованих поряд з поверхнею, становило приблизно 31 градус. - Дані одометріческіх випробувань були визнані ненадійними, оскільки стискальність приладу для випробувань була приблизно того ж порядку, як і стискальність самого зразка. - Циклічні тривісні випробування показали, що відкладення піску (шар № 4) мають потенціал генерувати при циклічних навантаженнях значний надмірний поровий тиск і накопичувати постійні деформації при повторному односпрямованої навантаженні. Відповідно, цей грунт може бути підданий опадам, викликаним землетрусами. - Зсувне випробування при постійній нормальної жорсткості (CNS) (Lam and Johnston, 1982) показали, що циклічне навантаження має потенціал значно знизити тертя по стовбуру палі після початкового статичного руйнування, і що навантаження в 50% від початкового статичного опору може призвести до руйнування під час циклічного навантаження, що, в свою чергу, призведе до дуже низької постцікліческой залишкової міцності.

Ключовими параметрамидляпроектуваннясистемифундаментівбулиграничнетертяпостовбурупаль, граничний опірпоп'ятіпалі, граничнанесуча здатністьплитиімодуліЮнгагрунтудляроботипристатичному навантаженніякплити, такіпаль.

Робота незалежної експертизи

Процес роботи незалежної експертизи включав наступні етапи: 1. Огляд звітів проектувальника і методів проектування; 2. Огляд доступною геотехнічної інформації та незалежна розробка проектної моделі для конкретного майданчика; 3. Докладний незалежний аналіз запропонованої системи фундаментів за першим граничним станом (ULS) і граничного стану по експлуатаційної придатності (SLS).

Вихідна незалежна Геотехнічна модель розроблялася в основному на підставі досвіду, отриманого по інших двох майданчиках в Дубаї, описаним вище у цій роботі, а також з використанням кореляцій з величинами за першим граничним станом. Згодом Геотехнічна модель була відкоректована з урахуванням результатів випробувань Баретт, а величини модуля Юнга, тертя по стовбуру і несучої здатності нижнього кінця Баретт в остаточній моделі були збільшені.

Для розрахунків за першим граничним станом використовувалися програми PIGS (для розрахунків осад груп паль) і CLAP (для розрахунку паль на сполучення навантажень), розроблені компанією Coffey Geotechnics. Величини несучої здатності фундаментів були помножені на понижуючий геотехнічний коефіцієнт 0,65. Було докладено різні поєднання навантажень за першим граничним станом. У всіх випадках система фундаментів задовольняла критеріям стійкості за першим граничним станом.

Для розрахунку абсолютних нерівномірних осад системи «плита-Баретт» використовувалася комп'ютерна програма GARP, також розроблена компанією Coffey Geotechnics. Крім того, виконувалося спрощене звичайно-елементне моделювання для перевірки результатів розрахунків за допомогою програми GARP. У всіх розрахунках, вироблених проектувальником і незалежним експертом, моделювалася кожна з 392 Баретт, на підставі чого стало можливим отримати конкретні величини жорсткості голови Баретт для введення в програми розрахунків роботи конструкцій, що використовувалися проектувальниками надземної частини будівлі.

До нашого великого задоволенню було виявлено, що максимальні величини розрахункових осад, отримані з використанням програми GARP (95 мм) добре збіглися з результатами компанії Golder,яка провела повний тривимірний звичайно-елементний аналіз за допомогою програми PLAXIS 3D Foundation. Однак, мінімальні опади за результатами розрахунків за програмою GARP (60 мм) виявилися трохи нижче в порівнянні з результатами, отриманими компанією Golder (70 мм). Тим не менше, враховуючи, що мова йде про один з найважчих у світі споруд, один тільки власний вага якого наближається до 2000000 тонн, величини розрахованих осад представляються цілком прийнятними.

Висновок

Проектування фундаментів висотних споруд в Близькосхідному регіоні увазі необхідність вирішення декількох геотехнічних проблем. Система фундаментів висотних будівель піддається значним вертикальним і горизонтальним навантаженням з великими моментами, включаючи циклічні компоненти, що може призвести до зниження несучої здатності і жорсткості пальових конструкцій. Геологічна природа грунтів Близькосхідного регіону створює додаткові проблеми, що включають несприятливі умови влаштування фундаментів, більш високий потенціал до погіршення властивостей грунтів у результаті циклічних впливів, тенденції до утворення пустот в деяких відкладеннях, а також відсутність міцних шарів корінних порід, в які можна було б заглибити палі -стійки. Враховуючи ці труднощі, ефективним і економічно доцільним рішенням є плитно-пальові фундаменти, відомі своєю надійною роботою.

Для еміратського проекту ретельні дослідження інженерно-геологічних умов майданчика і проведення випробувань дозволили описати грунти більш докладно, ніж це зазвичай буває можливим на більшості проектів. Застосовувалися сучасні методи польових і лабораторних випробувань, в також передові методи аналізу плитно-пальових фундаментів. Проектування по граничним станам подразумевало величезна кількість розрахунків (в основному, в силу надзвичайно великого числа сполучень навантажень, які необхідно було прийняти до уваги). Крім того, одним з головних завдань стала необхідність обробити і представити результати розрахунків у вигляді інформації, прийнятною для проектування.

Значні зусилля проектувальників доповнювалися повномасштабної програмою випробувань паль, що включала випробування статичним висмикує навантаженням, статичної і циклічної растягивающей навантаженням, а також випробування бічній навантаженням. Прогнозування відгуку паль на навантаження класу «A» показало хорошу сходження з вимірюваннями, хоча і виявилося більш консервативним. Зокрема, величини граничного тертя по стовбуру палі, отримані з випробувань, добре відповідали проектним величинам, отриманим з лабораторних випробувань при постійній нормальної жорсткості (CNS). Даний вид випробувань є перспективним для вимірювання характеристик тертя по стовбуру палі в лабораторних умовах.

Очікування, що прогноз осад веж буде настільки ж точним, як і прогноз осад паль при випробуваннях, не виправдалися. Величини осад, виміряні під час будівництва склали лише 25% від розрахункових. Були досліджені можливі причини такого серйозного розбіжності, і виявилося, що деяку частку розбіжностей можна віднести на рахунок консервативних передумов, використовуваних при обчисленні коефіцієнтів взаємодії паль, що використовувалися при моделюванні плитно-пальових фундаментів. Більш точне сходження з виміряними величинами осад вдалося б отримати шляхом прийняття більш реалістичних (ретроспективно) величин модуля грунту між палями і під їх нижнім кінцем. Таким чином, вдалося ще раз підкреслити важливість ретельного урахування ефекту взаємодії при моделюванні груп паль, а також більш реалістичного розподілу величин жорсткості грунту з глибиною.

Для будівлі «Бурж Халіфа» максимальні осідання фундаментів вежі і подіуму, розраховані за допомогою програми ABAQUS, добре відповідали максимальним величинам осад, розрахованих в процесі незалежної експертизи по оновленої моделі PIGS. Була виявлена ​​можливість зниження вертикальної несучої здатності і жорсткості грунтів основи при циклічному навантаженні; однак, на підставі результатів випробування паль статичним навантаженням, а також на підставі лабораторних випробувань і теоретичних розрахунків, вдалося встановити, що ефекти зниження несучої здатності при циклічних впливах в контактній зоні « паля-грунт »порівняно малі.

Як попередня програма випробувань паль, так і випробування робочих паль дали позитивну і обнадійливу інформацію про їх несучої здатності і жорсткості. Виміряні величини жорсткості голів паль набагато перевершували результати прогнозування, а також величини, що очікувалися на підставі досвіду, отриманого на розташованій поблизу майданчика будівництва еміратських веж. Однак, ефекти взаємодії між випробовують і допоміжними палями могли вплинути на величини жорсткості голови паль. Несуча здатність паль також виявилася набагато вище прогнозованих значень, і ні в одному випробуванні не вдалося повністю мобілізувати геотехнічне опір. Для проекту вежі Нахил були отримані аналогічні результати. Робочі палі продемонстрували навіть кращий відгук на навантаження, ніж попередньо випробувані палі. Вони показали практично лінійну залежність «навантаження-осідання» аж до максимальної дослідної навантаження, що перевищувала робочу в 1,5 рази. Опади фундаменту, зареєстровані під час будівництва були менше розрахункових. В цілому, робота плитно-пальового фундаменту «Бурж Халіфа» перевершила очікування фахівців. Для вежі Нахил використовувалися сучасні методи моделювання та проектування, а також останні розробки в області лабораторних випробувань і випробувань паль на навантаження. Внаслідок цього, фундаментні Баретт вдалося спроектувати більш економічно, ніж зазвичай. При цьому була досягнута більш висока ступінь впевненості в роботі фундаменту.

Контрольні запитання: