Проектирование фундаментов для высотных зданий: практические соображения и расчеты

Проектирование фундаментов высотных зданий представляет собой одну из наиболее важных и сложных задач в структурной и геотехнической инженерии. Система фундамента служит важнейшим интерфейсом между надстройкой и землей, отвечает за безопасную передачу массивных вертикальных нагрузок, боковых сил от ветра и сейсмической активности и опрокидывание моментов на подстилающую почву или скалу. Вес здания и, следовательно, вертикальная нагрузка, поддерживаемая фундаментом, могут быть существенными. Это всеобъемлющее руководство исследует практические соображения, методологии проектирования, процедуры расчета и лучшие практики, которые инженеры должны понимать для создания безопасных, экономичных и прочных систем фундамента для высотных зданий.

Понимание требований высотных зданий и фундамента

"Высокоэтажное здание" (часто называемое "высокоэтажное здание") - это, как правило, здание с небольшим размером и площадью крыши, но очень длинным и высоким фасадом. Классификация того, что представляет собой высотное здание, варьируется в зависимости от контекста и местоположения. По данным Совета высотных зданий и городской среды обитания (CBTUH), могут использоваться следующие категории. Во-первых, городской контекст, где здание существует. Если 10-этажное здание расположено в центральном деловом районе, окруженном 20-этажными зданиями, то его можно считать не высоким. Однако, если оно расположено в пригородной зоне, которая преимущественно малоэтажная, то его можно считать высоким.

Другой способ рассмотреть высоту здания — это его отношение стройности. Соотношение стройности получается путем деления общей высоты здания на меньшие размеры ширины основания. При соотношении стройности 5 или менее конструктивная система обычно может вместить боковые нагрузки, типичные для конструкций низкого или среднего роста. И наоборот, для отношения стройности 5 и выше, то есть где стройность конструкции может значительно повлиять на конструкцию. В этом диапазоне соотношений стройности структурная система будет работать усерднее, чтобы противостоять боковым силам, и динамическое поведение, вероятно, будет доминирующим в структурном решении, и, таким образом, здание считается высоким.

Уникальные характеристики высотных зданий создают специфические проблемы для проектирования фундамента. Высотные здания часто окружены низкоэтажными подиумными конструкциями, которые подвергаются гораздо меньшим нагрузкам. Таким образом, необходимо контролировать дифференциальные поселения между высотными и малоэтажными участками. Дополнительно могут быть очень высокими боковые силы, накладываемые ветровой нагрузкой, и последующие моменты на фундаментную систему. Эти моменты могут налагать на фундамент повышенные вертикальные нагрузки, особенно на внешние сваи в рамках фундаментной системы. Структурная конструкция свай должна учитывать эти повышенные нагрузки, которые действуют в сочетании с боковыми силами и моментами.

Типы систем фундамента для высотных зданий

Выбор подходящего типа фундамента имеет основополагающее значение для успеха любого проекта высотного строительства. Тип фундамента, который вы выбираете, будет зависеть от нескольких факторов, включая размер и вес здания, условия почвы и общий бюджет. Варианты фундамента для высоких конструкций варьируются от плота, который переносит строительные нагрузки в непосредственный слой почвы непосредственно под структурой, или полностью свайного решения для переноса структурных нагрузок из слабых слоев почв на более прочные слои, или композитной системы, которая использует как плот, так и свайные решения.

Deep Pile Foundations (альбом)

Глубокие фундаменты обычно используются, когда поверхность земли недостаточно прочна для поддержания нагрузки здания. Для решения этой проблемы устанавливаются глубокие фундаменты, проникающие через слабые слои почвы, пока они не достигнут более стабильного, твердого грунта. Высотные здания обычно основаны на какой-либо форме свайного фундамента при сочетании вертикальных, боковых и опрокидывающих сил.

Сваи являются относительно длинными и стройными элементами, используемыми для передачи нагрузок на фундамент через почвенные слои низкой несущей способности к более глубокой почве или породе, имеющей более высокую несущую способность. Основы сосны работают через два основных механизма: подшипник конца и трение кожи. Если верхние слои почвы слишком слабы или сильно сжимаются для поддержки нагрузок, передаваемых надстройкой, сваи используются для передачи этих нагрузок в более сильный слой почвы или на коренную породу. Сваи, которые передают нагрузки в основание, называются конечными сваями. Этот тип свая исключительно опирается на несущую способность основного материала на кончике свая.

С другой стороны, когда основа слишком глубока, сваи могут передавать нагрузки через окружающую почву постепенно путем трения. Этот тип сваи называется сваи трения. Выбор между этими механизмами зависит от конкретного профиля почвы и структурных требований проекта.

Движимые куски

Движимые сваи представляют собой предварительно сформированные сваи, обычно изготовленные из стали, бетона или древесины, которые забиваются в землю с помощью свайного оборудования. Движимые сваи создают минимальное возмущение участка, достигают непосредственной несущей способности из-за уплотнения почвы и быстро устанавливаются. Они высокоэффективны для проектов с повторяющимися требованиями к проектированию. Однако вождение может вызвать шум и вибрацию, что может быть проблематичным в городских или чувствительных районах. Это также может быть сложным в твердых или очень плотных почвах.

Движущиеся сваи идеально подходят для фундаментов в мягких и среднеплотных грунтах, где свайное смещение повышает устойчивость почвы. Они обычно используются в крупных инфраструктурных проектах, таких как мосты и высотные здания. Процесс установки включает использование ударных молотков или вибрационного оборудования для привода сборных свайных элементов в грунт, что уплотняет окружающую почву и может увеличить ее несущую способность.

Скучные куски (Drilled Shafts)

Фундамент Бореда-Пиле — ещё один популярный тип глубокого фундамента, применяемый в зданиях на твёрдых или каменистых грунтах. Процесс начинается с бурения в грунт до тех пор, пока не будет достигнут слой, способный нести нагрузку здания. Фундаменты Кессона, также известные как фундаменты буровых шахт, используются для зданий с тяжёлыми нагрузками или в районах с сложными почвенными условиями. Кессоны — это большие, цилиндрические бетонные колонны, которые сверлят в землю для поддержания веса здания.

Скученные сваи предлагают ряд преимуществ для высотного строительства. Они производят минимальную вибрацию и шум по сравнению с управляемыми сваями, что делает их пригодными для городской среды. Процесс бурения позволяет проверять состояние грунта во время установки, а размеры свай можно регулировать на основе встречающихся условий. Сваи бурения используются в высотных зданиях, мостах и других проектах, требующих глубоких фундаментов в сложных грунтах.

Процесс строительства обычно включает в себя бурение отверстия на требуемую глубину, установку арматуры и заполнение отверстия бетоном. Установка медленнее, чем управляемые сваи, и стабильность почвы может быть проблемой во время раскопок, особенно в рыхлых или песчаных почвах. Для поддержки раскопок могут потребоваться временные кожухи или буровая жидкость.

Непрерывный рейс Auger (CFA)

Сваи КФА сверлят и отливают на месте в одной непрерывной операции. Для бурения в почву используется шнек, а бетон прокачивается через полый ствол шнека по мере его отвода, образуя сваи. Этот метод сочетает в себе преимущества как приводных, так и скученных свай, предлагая снижение вибрации и шума при сохранении относительно высоких скоростей установки. Сваи КФА особенно эффективны в мягких и средних почвах и обеспечивают отличный контроль качества при установке.

Мат (Рафт) Фонды

Рафтовые фундаменты, также известные как матовые фундаменты, используются для зданий с тяжелыми нагрузками или в районах, где почва склонна к заселению. Рафтовые фундаменты состоят из толстой плиты бетона, которая простирается по всему следу здания, равномерно распределяя вес по почве. Рафтовый фундамент, также известный как «матовый фундамент», представляет собой, по сути, непрерывную плиту, лежащую непосредственно на поверхности почвы, которая простирается по всему следу здания, тем самым перенося свои веса и нагрузки на землю в более равномерном распределении.

Этот тип фундамента обычно используется в высотных зданиях или районах с плохими почвенными условиями. Корпуса менее подвержены заселению, чем другие типы фундаментов, и обеспечивают отличную стабильность для коммерческих зданий. Мат фундаменты особенно подходят, когда почвоподшипниковая способность относительно однородна по всему следу здания и когда строительные нагрузки достаточно значительны, чтобы отдельные фундаменты покрывали большой процент площади здания.

Корпуса или матовые фундаменты — это большие, непрерывные, прямоугольные или круглые бетонные плиты, которые несут нагрузку на вашу надстройку и распределяют ее по всей площади под вашим зданием. Этот тип фундамента считается одним из самых мелких фундаментов и помогает контролировать дифференциальное расселение.

Piled Raft Foundations (Фонд Пилд Рафт)

Плитные плотные фундаменты могут использоваться для крупных сооружений и в ситуациях, когда почва непригодна для предотвращения чрезмерного заселения. Пилированные плотные фундаменты становятся все более популярными для высотных зданий. Эта композитная система сочетает в себе преимущества распределения нагрузки матового фундамента с возможностями глубокой загрузки свайных фундаментов. Плот обеспечивает дополнительную жесткость и помогает распределять нагрузки между сваями, при этом сваи уменьшают общие и дифференциальные поселения.

Свайный фундамент для высотных сооружений часто состоит из большого количества свай. Задача при проектировании свайной системы фундамента заключается в улавливании эффектов группового взаимодействия. Хорошо известно, что поселение за счет свайной группы для эквивалентного среднего уровня нагрузки может существенно отличаться от одного свайного поселения. В свайных плотовых системах и плот, и сваи способствуют переносу структурных нагрузок, создавая более эффективное и экономичное фундаментное решение для многих высотных применений.

Критические геотехнические соображения

Перенос нагрузки на высокую конструкцию может воздействовать на грунт на большей глубине и на его прилегающие конструкции, поэтому при проектировании фундамента должно быть завершено тщательное исследование грунта или участка.Взаимодействие между конструкцией и опорным грунтом должно быть тщательно оценено инженерами в процессе проектирования.Правильное геотехническое исследование формирует основу успешного проектирования высотного фундамента.

Исследование и характеристика почв

Будет описан трехэтапный процесс проектирования и проверки фундамента, а также подчеркнута важность надлежащей характеристики грунта и оценки геотехнических параметров. Геотехническое исследование должно включать в себя достаточные скважины для характеристики профиля почвы по всему следу здания и на глубины, которые будут зависеть от нагрузок фундамента.

Предварительные данные о конструкции основания, такие как тип свай, длина и размер, предварительно определены на основе данных геотехнического отчета. Некоторые из критических параметров, необходимых для дальнейшего проектирования и анализа фундамента свай, - это типы почвы, вес единицы, сила сдвига, модуль реакции подкласса и данные грунтовых вод. Исследование должно включать как тестирование на месте (например, стандартные испытания на проникновение, испытания на проникновение в конус и испытания на измерителе давления), так и лабораторное тестирование образцов почвы для определения инженерных свойств.

Почвенная способность

Для неглубоких фундаментов или матов подшипниковая способность зависит от параметров прочности почвы, размеров фундамента и глубины встраивания. Инженеры должны оценивать как конечную несущую способность, так и допустимую несущую способность, применяя соответствующие факторы безопасности на основе уровня неопределенности параметров почвы и методов управления строительством, которые будут использоваться.

Для глубоких оснований расчеты несущей способности должны учитывать как компоненты подшипника, так и фрикционные компоненты вала. Общее сопротивление свай может быть разделено на компоненты из основания и вала. Методы расчета варьируются в зависимости от того, основана ли свая в сцепленных (глинистых) или несвязанных (песчаных) почвах, с различными аналитическими подходами, необходимыми для каждого типа почвы.

Соображения в отношении грунтовых вод

Если уровень грунтовых вод высок, давление на почву возрастает, снижая ее несущую способность. Поэтому фундамент должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать давление воды. Высокие уровни грунтовых вод могут существенно влиять на конструкцию фундамента несколькими способами. Плавучим эффект грунтовых вод снижает эффективные напряжения в почве, что снижает несущую способность и увеличивает потенциал поселения. Подземные воды также могут создавать силы подъема на подвальных конструкциях и фундаментах.

Во время строительства может потребоваться обезвоживание, однако для их воздействия на прилегающие сооружения и окружающую среду необходимо тщательно оценить долгосрочные обезвоживающие растворы. В районах с высоким уровнем грунтовых вод часто используются свайные фундаменты с бетонной обувью для предотвращения эрозии почвы вокруг свай. В проектирование фундамента должны быть интегрированы надлежащие водонепроницаемые и дренажные системы для управления давлением грунтовых вод и предотвращения инфильтрации воды.

Анализ поселений

Анализ поселений имеет решающее значение для высотных зданий, где даже небольшие дифференциальные поселения могут вызывать значительные структурные бедствия. Инженеры должны оценивать как немедленное (упругое) поселение, так и долгосрочное консолидационное поселение. Помимо их способности передавать нагрузку на фундамент к базовым сваям слоев также широко используются в качестве средства контроля за поселением и дифференциальным поселением.

Общее поселение должно быть ограничено приемлемыми значениями, основанными на структурной системе здания и архитектурной отделке. Что еще более важно, дифференциальное поселение между различными частями фундамента должно контролироваться для предотвращения структурных повреждений. Более глубокие сваи были указаны ниже центральной области ядра на основе более высоких вертикальных нагрузок в центре здания по сравнению с внешним. Более длинные сваи служат для снижения эффекта «тушечного» поселения из-за более высокого напряжения блока на подстилающей почве непосредственно под ядром.

Побочные нагрузки

Конструкционные системы высотных зданий должны нести вертикальные гравитационные нагрузки, но боковые нагрузки, такие как из-за ветра и землетрясений, также являются важным фактором. Боковые нагрузки создают уникальные проблемы для проектирования фундамента, которые должны быть тщательно рассмотрены.

Эффекты ветровой нагрузки

Силы ветра на высотных зданиях увеличиваются с высотой и могут создавать существенные боковые нагрузки и опрокидывающие моменты на уровне фундамента. Силы ветра также увеличиваются с высотой здания до постоянного или градиентного значения по мере уменьшения эффекта трения грунта. Фундамент должен быть спроектирован так, чтобы противостоять этим боковым силам посредством сочетания пассивного давления почвы, трения между фундаментом и почвой и структурной емкости элементов фундамента.

Воздействие сил ветра на высокие здания двояко. Высокое здание можно рассматривать как консольный луч с его фиксированным концом на земле; давление ветра на здание заставляет его изгибаться с максимальным отклонением наверху. Фундамент должен обеспечивать адекватную фиксацию, чтобы противостоять этим опрокидывающимся моментам, ограничивая вращения, которые могут вызвать чрезмерный дрейф здания.

Возбужденные ветром боковые нагрузки и моменты носят циклический характер.Таким образом, необходимо учитывать влияние циклической вертикальной и боковой нагрузки на систему фундамента, поскольку циклическая нагрузка имеет потенциал для ухудшения пропускной способности фундамента и вызывает увеличение населенных пунктов.

Сейсмические соображения дизайна

В сейсмически активных регионах силы землетрясения могут управлять проектированием фундамента. Землетрясение или сейсмические силы, в отличие от сил ветра, обычно ограничены относительно небольшими участками, в первую очередь по краям медленно движущихся континентальных плит, образующих земную кору.Когда происходят резкие движения краев этих плит, высвобождаемая энергия распространяет волны через кору; это волновое движение Земли передается по покоящимся на ней зданиям.

Сейсмическое проектирование фундаментов должно учитывать несколько факторов, включая потенциал сжижения почвы, эффекты взаимодействия структуры почвы и динамическую реакцию системы фундамента. Потенциальное воздействие землетрясения на фундамент, включая реакцию системы основания структуры на землетрясения и шансы сжижения в почве, окружающей или поддерживающей фундамент. Основания в сжижаемых почвах могут потребовать специальных мер, таких как улучшение почвы, глубокие фундаменты, простирающиеся ниже сжижаемых слоев, или структурные системы, предназначенные для размещения больших деформаций грунта.

Сосны являются более подходящим фундаментом для конструкций, подвергающихся горизонтальным силам. Сосны могут противостоять горизонтальным действиям через изгиб, будучи способными передавать вертикальные силы от надстройки. Это типичная ситуация для проектирования землеудерживающих сооружений и высоких структур, подвергающихся воздействию сильного ветра или сейсмических сил.

Процесс проектирования и методология Foundation

Высокий строительный фундамент должен полностью охватить воздействие конструкции, как над, так и под землей. Такие типы фундамента сложны и обычно требуют больше усилий по структурному проектированию, чем другие традиционные системы фундамента, найденные в низко- и среднеэтажных структурах. На практике также принято делать проект фундамента более совместными усилиями с инженером-геотехником.

Определение нагрузки и анализ

Первый шаг в проектировании фундамента включает в себя определение всех нагрузок, которые будут переданы на фундамент. К ним относятся мертвые нагрузки от конструкции здания и постоянных приспособлений, живые нагрузки от заполняемости и использования, ветровые нагрузки, сейсмические нагрузки и любые специальные нагрузки, такие как оборудование или хранение. Комбинации нагрузки должны оцениваться в соответствии с применимыми строительными нормами для определения критических конструктивных случаев.

Для высотных зданий распределение нагрузок редко равномерно по фундаменту. Основные участки обычно несут гораздо более высокие нагрузки, чем периметровые участки. Более глубокие сваи были указаны ниже центральной зоны ядра на основе более высоких вертикальных нагрузок в центре здания по сравнению с внешним. Более длинные сваи служат для снижения эффекта «тухающего» поселения из-за более высокой нагрузки блока на подстилающую почву непосредственно под ядром. Конструкция фундамента должна учитывать эти изменения нагрузки для управления дифференциальными поселениями.

Структурный анализ и моделирование

Проектирование и анализ глубоких оснований, таких как сваи, является каким-то видом искусства из-за всех неопределенностей, связанных с интерпретацией геотехнических данных. Хотя был проведен многочисленные теоретический и экспериментальный подход для анализа поведения и оценки несущей способности свай в различных типах почвы, но все же нам еще многое предстоит понять о механизме сваи фундамента. К счастью, с развитием структурной инженерии существует различное программное обеспечение, которое мы можем использовать, чтобы минимизировать эти неопределенности и сократить время вычислений.

Современный дизайн фундамента в значительной степени опирается на сложное программное обеспечение анализа, которое может моделировать взаимодействие грунт-структура, вычислять распределения нагрузки и оценивать производительность фундамента при различных условиях загрузки. Программное обеспечение проектирования фундаментных свай может выполнять осевой и боковой анализ любого типа свай. Программы могут вычислять сопротивление свайного вала и несущую способность свай, принимая во внимание метод установки свай. Кроме того, программное обеспечение может выполнять латеральный анализ свай, вычисляя смещения свай, диаграммы момента и сдвига для любой прикладной комбинации нагрузки на головке свай.

Трехмерный анализ конечных элементов всё чаще используется для сложных систем фундамента, что позволяет инженерам более точно моделировать взаимодействие между фундаментом, почвой и надстройкой, учитывая такие факторы, как нелинейность почвы, эффекты последовательности строительства и зависящее от времени поведение.

Факторы проверки проектирования и безопасности

Конструкции фундамента должны включать соответствующие факторы безопасности для учета неопределенностей свойств почвы, условий загрузки и качества строительства. В то время как диапазон статических факторов анализа безопасности в прошлом составлял от 2 до 4, большинство методов статического анализа рекомендовали фактор безопасности 3. Поскольку конструктивные нагрузки фундамента увеличивались с течением времени, использование более высоких факторов безопасности часто приводило к проблемам установки свай. Кроме того, опыт показал, что методы управления строительством оказывают значительное влияние на емкость свай. Поэтому фактор безопасности, используемый в расчете статического анализа, должен основываться на указанном методе управления строительством.

Проверка конструкции должна включать проверку предельных состояний (неисправность несущих мощностей, структурный отказ элементов фундамента) и предельных состояний исправности (чрезмерное урегулирование, неприемлемые вибрации). Для обеспечения адекватной работы фундамента при всех ожидаемых условиях необходимо оценить несколько нагрузочных случаев и комбинаций.

Расчеты дизайна Foundation

Детальные расчеты составляют основу проектирования фундамента.Конкретные процедуры расчета варьируются в зависимости от типа фундамента и условий почвы, но к большинству высотных конструкций фундамента применяются несколько общих элементов.

Расчеты мощности куста

Для свайных фундаментов конечная мощность должна рассчитываться с учетом как подшипника конца, так и трения вала. Общая мощность свайного фундамента может быть рассчитана путем умножения площади кончика свай и несущей способности на той конкретной глубине грунта, на которой свай покоится. Учитывая разумный фактор безопасности, рассчитывается диаметр свая.

Расчет трения вала зависит от типа грунта. Для свай в глиняных почвах обычно используется альфа-метод, который связывает трение вала с неосушенной прочностью сдвига глины. Для свай в песке бета-метод связывает трение вала с эффективным давлением перегрузки и коэффициентом трения. Для оценки бокового сопротивления для насыщенных глин используются как суммарные, так и эффективные методы анализа напряжений. Здесь мы рассматриваем только общий стресс или метод α.

Эффекты группы свай должны учитываться при использовании нескольких свай. Конечная нагрузка, которую может поддерживать группа, может быть не такой, как максимальная нагрузка, которую каждая сваи может нести в группе. Поэтому следует учитывать эффективность группы сваи. Факторы эффективности группы учитывают взаимодействие между близко расположенными сваями, что может снизить общую емкость по сравнению с суммой индивидуальных свайных мощностей.

Мат Фонд Дизайн расчеты

Матовая конструкция фундамента требует расчета давления грунта под различными комбинациями нагрузки, гарантируя, что максимальное давление подшипника не превышает допустимую несущую способность почвы.Коврик должен анализироваться как конструктивный элемент, с расчетами на изгибные моменты, силы сдвига и удара сдвига в местах колонн.

Анализ взаимодействия почвоструктуры особенно важен для фундаментов матов. Гибкость мата относительно почвы влияет на распределение контактных давлений. Жесткие маты имеют тенденцию создавать более высокие давления по краям, в то время как гибкие маты могут испытывать более высокие давления в местах колонн. Современная конструкция обычно использует анализ конечных элементов для моделирования мата как пластины на эластичном фундаменте, захватывая эти эффекты взаимодействия.

Усиление дизайна

Структурная конструкция элементов фундамента требует детальных расчетов армирования. Усиление рассчитано на секцию от уровня отсечки до глубины фиксации с учетом напряжения с изгибом, сжатия с изгибом и только сгибания. Для секции ниже глубины фиксации армирование рассчитано с учетом вертикального сжатия и натяжения. Поперечные связи диаметром 8 мм указаны в центрах 200 мм.

Для засорных колпачков и матовых фундаментов армирование должно быть рассчитано на сопротивление изгибающим моментам и силам сдвига, рассчитанным по структурному анализу. Минимальные требования к армированию, определенные кодами конструкции, должны быть удовлетворены, а детализация должна обеспечить надлежащую крепление, длину разработки и конструктивность. Особое внимание должно быть уделено областям концентрации напряжений, таким как места вокруг колонн и при изменении толщины фундамента.

Анализ боковой нагрузки

Для большинства фундаментов нагрузки, приложенные к сваям, в основном вертикальные.Горизонтальные нагрузки, возникающие от ветровых нагрузок на конструкции, обычно относительно малы и игнорируются.Однако для свай в причалах, фундаментов мостовых причалов, высоких дымоходов и морских свайных фундаментов важным соображением является боковое сопротивление.

Для высотных зданий важен латеральный свайный анализ. Такие методы, как подход кривой p-y, моделируют нелинейное сопротивление грунта по длине свай, позволяя вычислять отклонения свай, моменты изгиба и силы сдвига при боковой нагрузке. Анализ должен учитывать условия фиксации свайной головки, которые зависят от деталей соединения между свайной и свайной крышкой или матовым фундаментом.

Соображения в отношении строительства и контроля качества

На выбор типа свай влияют условия недр, расположение и топография участка, а также структурные и геометрические характеристики конструкции, подлежащей поддержке. Дизайнер глубокого фундамента должен обладать разнообразными навыками, большим опытом и значительными знаниями инженерных наук. Методология строительства значительно влияет на производительность фундамента и должна быть тщательно рассмотрена во время проектирования.

Секвенирование строительства

Последовательность строительства фундамента может влиять на производительность завершенного фундамента. Для свайных фундаментов последовательность установки может влиять на емкость свай за счет воздействия на соседние сваи и почвенные условия. Вождение свай группами может вызывать перенапряжение или уплотнение окружающего грунта, влияя на ранее установленные сваи. Для скученных свай критически важно поддержание устойчивости отверстий во время строительства, особенно в рыхлых или насыщенных почвах.

Раскопки подвальных уровней должны быть тщательно спланированы и выполнены. Глубокие раскопки могут вызывать движения грунта, которые влияют на соседние структуры и могут изменять условия напряжения в почве, поддерживающей фундамент. Должны быть спроектированы и внедрены надлежащие системы орошения и обезвоживания для поддержания стабильности во время строительства.

Обеспечение качества и тестирование

Комплексные программы контроля качества необходимы для строительства высотных фундаментов. Для свайных фундаментов это обычно включает в себя тестирование свайной нагрузки для проверки проектных предположений и качества строительства. Статические нагрузочные тесты обеспечивают наиболее надежную проверку свайной емкости, хотя они дороги и трудоемки. Динамическое тестирование с использованием свайных анализаторов предлагает более экономичную альтернативу для управляемых свай, обеспечивая оценку свайной емкости и целостности в режиме реального времени во время установки.

Для обеспечения качества критически важно проводить испытания на целостность пробуренных валов и скученных свай. Такие методы, как перекрестная петля, профилирование теплостойкости и тестирование на целостность с низким уровнем напряжения, позволяют выявлять дефекты, такие как шея, включения почвы или плохое качество бетона. Эти испытания должны проводиться на репрезентативной выборке свай с дополнительным тестированием при обнаружении дефектов.

Для фундаментов из коврика первостепенное значение имеет контроль качества бетона. Для подтверждения эффективности конструкции смеси и методов изоляции был построен и оснащен термопарами испытательный куб из 3,5-метрового коврика для измерения дифференциального теплопритока между центром и экстремальными поверхностями коврика до фактической конструкции коврика. Температура, измеренная для испытательного куба, а также температура, измеренная в коврике башни на месте, были меньше, чем предписанные пределы, установленные на общем и дифференциальном тепловом коэффициенте. Большие ковриковые разливы требуют тщательного планирования для контроля температуры бетона, предотвращения холодных соединений и обеспечения равномерного качества во время разлива.

Мониторинг и приборостроение

Приборостроительные и мониторинговые программы предоставляют ценные данные о производительности фундамента во время и после строительства. Для отслеживания вертикальных движений фундамента и надстройки должны быть установлены пункты мониторинга поселений. Инклинометры могут контролировать боковые движения, особенно важные вблизи раскопок или в районах с потенциальными проблемами устойчивости склона.

Пьезометры контролируют давление грунтовых вод, что имеет решающее значение для оценки эффективности систем обезвоживания и оценки долгосрочного воздействия грунтовых вод на фундамент. На выбранные сваи могут устанавливаться нагрузочные элементы для измерения фактического распределения нагрузки, проверки проектных допущений и предоставления данных для будущих проектов.

Особые соображения по конкретным почвенным условиям

Различные условия почвы представляют собой уникальные проблемы, которые требуют специализированных подходов к проектированию и методов строительства.

Мягкие глиняные почвы

Мягкие глиняные почвы представляют значительные проблемы для высотных фундаментов из-за их низкой несущей способности и высокой сжимаемости. Плавучие фундаменты представляют собой специализированную систему фундамента для зданий, построенных на мягких почвах, таких как торф или мягкая глина. Этот фундамент работает путем распределения нагрузки здания на большую площадь, снижая давление на почву. Эта конструкция позволяет зданию «плавать» на мягкой почве, не испытывая значительного заселения.

В мягких глиняных отложениях консолидация может продолжаться в течение многих лет после строительства. Для высотных зданий обычно требуются глубокие фундаменты, простирающиеся через мягкие глиняные слои к более твердым слоям. Если оконечное воздействие на твердые слои экономически нецелесообразно, могут использоваться фрикционные сваи в глине, хотя следует уделять пристальное внимание долгосрочному заселению и последствиям отрицательного трения кожи, поскольку окружающая почва консолидируется.

Большая почва

Для высотных зданий на обширных почвах обычно требуются глубокие фундаменты, простирающиеся ниже активной зоны влажности. Конструкция должна учитывать силы подъема от расширения почвы и потенциальные силы нисходящего потока от усадки почвы. Для размещения движений почвы без переноса нагрузок на фундамент могут быть предусмотрены специальные детали, такие как пустоты вокруг свай в верхней почвенной зоне.

Сжижаемые почвы

В сейсмически активных районах рыхлые насыщенные песчаные почвы могут быть подвержены сжижению во время землетрясений. Ликвефация вызывает резкую потерю прочности и жесткости почвы, что потенциально может привести к крупным поселениям или даже к отказу несущей способности. Проектирование фундамента в сжижаемых почвах требует особого внимания, включая методы улучшения почвы для уплотнения или укрепления почвы, глубокие фундаменты, простирающиеся через сжижаемые слои до несжижаемых несущих слоев, или структурные системы, предназначенные для размещения больших деформаций грунта.

Rock Foundations

Когда компетентная порода присутствует на мелкой и умеренной глубине, она может обеспечить отличную поддержку фундамента для высотных зданий. Основы высотных зданий поддерживают очень тяжелые нагрузки, но используются системы, разработанные для малоэтажных зданий, хотя и увеличенные в масштабе. К ним относятся бетонные кессонные колонны, несущие на скале или строящие на самой открытой скале. Каменные фундаменты требуют тщательного исследования для характеристики качества породы, выявления разрывов, таких как суставы и трещины, и оценки потенциала для выветривания или ухудшения.

Глубины гнезда в породе должны быть достаточными для развития адекватной несущей способности и обеспечения фиксации боковых нагрузок.Ракеты для буровых валов обычно простираются по меньшей мере на один диаметр в компетентную породу, хотя могут потребоваться большие глубины в зависимости от качества породы и условий загрузки.

Экономические соображения и оптимизация

Затраты на фундамент составляют значительную часть общих расходов на строительство высотных зданий. Оптимизация конструкции фундамента для достижения требуемой производительности при минимальных затратах требует тщательной оценки альтернатив и учета как первоначальных затрат на строительство, так и долгосрочных результатов.

Выбор типа Foundation

Вопросы, на которые необходимо ответить при решении вопроса между приводными сваями и другими системами глубокого фундамента, будут сосредоточены на относительных затратах на доступные, возможные системы. Стоимость поддержки фундамента может быть удобно рассчитана на основе стоимости на единицу перевозимой нагрузки. Кроме того, должна быть рассмотрена конструктивность.

Выбор между различными типами фундамента должен учитывать не только затраты на материалы и установку, но и такие факторы, как время строительства, наличие оборудования, ограничения доступа к площадке и потенциальное воздействие на соседние структуры. В городских условиях ограничения шума и вибрации могут благоприятствовать скученным сваям по сравнению с управляемыми сваями, несмотря на более высокие затраты. В отдаленных местах с ограниченным доступом управляемые сваи могут быть предпочтительными из-за более простых требований к оборудованию.

Оптимизация дизайна

В рамках выбранного типа фундамента существуют многочисленные возможности для оптимизации. Для свайных фундаментов оптимизация может включать в себя корректировку диаметра свай, длины, интервала и конфигурации, чтобы минимизировать общую стоимость при выполнении требований к производительности. Количество, положение, армирование и длина свай определяются в процессе проектирования для обеспечения стабильности конструкции и обеспечения экономичного решения.

Для фундаментов из матов оптимизация предполагает определение оптимальной толщины мата, которая уравновешивает затраты на бетон и армирование со структурными требованиями.Разнообразие толщины мата по всему фундаменту с большей толщиной в сильно нагруженных областях может обеспечить экономичное решение при сохранении адекватной структурной емкости.

Ценностные инженерные исследования, проводимые в ходе разработки проекта, могут выявить возможности экономии затрат без ущерба для производительности. Эти исследования должны включать сотрудничество между инженерами-строителями, инженерами-геотехниками и подрядчиками для использования их объединенного опыта и опыта.

Тематические исследования и практические применения

Изучение реальных применений высотного дизайна фундамента дает ценную информацию о практических проблемах и решениях.

Система Фонда Бурдж Халифа

Бурдж-Халифа высотой 828 метров является самым высоким зданием в мире, затмев высоту своего ближайшего сверстника почти на 40% (320 метров). Завершенный в 2010 году, он возглавляет все три категории высоты, определенные Советом по высотным зданиям и городской среде обитания. Бурдж-Халифа - это в первую очередь железобетонное здание. Структурная система башни состоит из железобетонной конструкции от фундамента до уровня 156; выше уровня 156 - преимущественно шпиль, состоящий из структурной стальной скобчатой системы каркаса. Структурная система башни описывается как «подпорное ядро», которое состоит из высокопроизводительной бетонной конструкции стены.

Система фундамента для этой знаковой структуры демонстрирует применение передовых принципов проектирования фундамента для поддержки экстремальных нагрузок. Проект требовал обширных геотехнических исследований, сложных методов анализа и тщательного контроля качества строительства, чтобы обеспечить фундамент мог безопасно поддерживать массивные нагрузки на надстройку.

Piled Raft Applications (альбом)

Планировка показывает сваи и фундамент мата под башней. Каждая сваи имеет рабочую нагрузку в 670 или 730 метрических тонн в зависимости от их длины в комбинированном конце подшипника и трения вала. Более глубокие сваи были указаны ниже центральной области ядра на основе более высоких вертикальных нагрузок в центре здания по сравнению с экстерьером. Этот пример иллюстрирует, как сваи плотные системы могут быть оптимизированы путем изменения длины сваи и мощности, чтобы соответствовать распределению нагрузки от надстройки.

Разработка программного обеспечения и вычислительных инструментов

Современный дизайн фундамента в значительной степени опирается на специализированные программные инструменты, которые позволяют инженерам эффективно и точно выполнять сложные анализы.

Программное обеспечение для анализа Foundation

С программным обеспечением для проектирования фундамента инженеры могут решать все основные проблемы глубокого проектирования фундамента в одном месте, делая рабочий процесс быстрее и эффективнее. Программное обеспечение может точно рассчитать осевую геотехническую мощность для любого типа свай. Программное обеспечение для проектирования фундамента внедрило несколько структурных кодов, используемых во всем мире. Программное обеспечение выполняет все расчеты в соответствии с выбранным стандартом и вычисляет момент свай и возможности сдвига. Все проверки и уравнения структурного проектирования могут быть включены в отчеты о программном обеспечении.

Эти инструменты интегрируют геотехнический анализ, структурный дизайн и проверку соответствия кода в единую платформу. Они могут моделировать сложные профили грунта, вычислять мощности свай с помощью различных методов, выполнять анализ боковой нагрузки и проектировать усиление в соответствии с применимыми кодами. Возможность быстро оценивать несколько альтернатив дизайна облегчает оптимизацию и помогает инженерам определить наиболее экономичное решение.

Анализ конечных элементов

Трехмерный анализ конечных элементов становится все более важным для сложных систем фундамента. Эти инструменты могут моделировать взаимодействие структуры почвы с высокой точностью, захватывая нелинейное поведение почвы, эффекты последовательности строительства и взаимодействие между элементами фундамента. В то время как более вычислительно интенсивный, чем упрощенные методы, анализ конечных элементов обеспечивает понимание, которое трудно или невозможно получить с помощью традиционных подходов анализа.

Будущие тенденции и инновации

Инженерия фундамента продолжает развиваться с новыми технологиями, материалами и методами, которые обещают улучшить производительность и экономику.

Передовые материалы

Высокопроизводительный бетон с прочностью на сжатие, превышающей 100 МПа, все чаще используется в элементах фундамента, что позволяет уменьшить поперечные сечения и уменьшить количество материала. Клетчато-армированный бетон может повысить долговечность и уменьшить растрескивание. Композитные материалы, такие как полимерные сваи с армированным волокном, предлагают преимущества в агрессивных средах или там, где выгодны высокие соотношения прочности к весу.

Методы улучшения грунта

Передовые методы улучшения почвы могут превратить плохие почвенные условия в приемлемую поддержку фундамента. Такие методы, как глубокое смешивание почвы, струйная зачистка и динамическое уплотнение, могут укрепить слабые почвы, уменьшить потенциал поселений и снизить риск сжижения. Эти методы могут обеспечить экономичные альтернативы глубоким фундаментам в некоторых ситуациях.

Дизайн на основе производительности

Подходы к проектированию, основанные на производительности, получают признание в области разработки фундамента. Вместо предписывающих требований к коду эти методы ориентированы на достижение конкретных целей производительности при различных сценариях загрузки. Этот подход позволяет более рациональные конструкции, которые могут быть оптимизированы для конкретных условий и требований каждого проекта.

Соображения в отношении устойчивости

Устойчивость становится все более важной в проектировании фундамента. Это включает в себя минимизацию потребления материала путем оптимизации, использование переработанных или низкоуглеродных материалов, где это возможно, и рассмотрение полного воздействия на окружающую среду жизненного цикла систем фундамента. Повторное использование существующих фундаментов при реконструкции объектов может значительно снизить воздействие на окружающую среду и затраты на строительство.

Пошаговая процедура проектирования

Систематический подход к проектированию высотного фундамента обеспечивает надлежащее рассмотрение всех критических аспектов.

Определение и требования проекта: Установить геометрию здания, конструктивную систему, условия загрузки и требования к производительности. Определить применимые коды и стандарты.
Расследование участка: Проведение комплексного геотехнического исследования, включая бурение, тестирование на месте и лабораторные испытания. Характеризовать стратиграфию почвы, инженерные свойства и условия грунтовых вод.
Предварительный выбор фундамента: Оценка альтернатив фундамента с учетом условий почвы, структурных нагрузок, ограничений участка и экономических факторов.
Анализ нагрузки: Определить все нагрузки, действующие на фундамент, включая мертвые нагрузки, живые нагрузки, ветровые нагрузки, сейсмические нагрузки и специальные нагрузки.
Геотехнический дизайн: Расчет несущей способности, расчетной и боковой устойчивости. Определить требуемые размеры фундамента, длину свай и емкости, или толщину коврика и арматуру.
Структурный дизайн: Выполняйте структурный анализ элементов фундамента. Проектирование армирования для изгиба, сдвига и удара сдвига. Проверьте все применимые предельные состояния.
Проверка конструкции : Проверить, соответствует ли конструкция всем требованиям к эксплуатационным характеристикам с адекватными факторами безопасности.Проверить на предмет конструктивности и выявить потенциальные проблемы в строительстве.
Оптимизация: Оценка возможностей для снижения затрат при сохранении требуемой производительности. Рассмотрим альтернативные конфигурации, материалы или методы строительства.
Строительная документация: Подготовьте подробные чертежи и спецификации.Включите требования к контролю качества, программы тестирования и критерии принятия.
Поддержка строительства: Оказание инженерной поддержки при строительстве, включая рассмотрение представлений, наблюдение за строительством и оценку результатов испытаний.

Общие проблемы и решения дизайна

Инженеры фонда часто сталкиваются с проблемами, которые требуют творческих решений и инженерных суждений.

Переменные условия почвы

Условия почвы часто значительно различаются на строительной площадке. Эта изменчивость может привести к дифференциальным поселениям, если не учитывать должным образом. Решения включают в себя различные глубины фундамента или длины свай для достижения согласованных несущих слоев, использование улучшения грунта для гомогенизации свойств почвы или проектирование надстройки для размещения ожидаемых дифференциальных движений.

Смежные воздействия на структуру

В городских условиях строительство фундамента может влиять на соседние структуры посредством движения грунта, вибрации или изменения условий грунтовых вод. Тщательное планирование систем поддержки раскопок, выбор методов строительства с низкой вибрацией и мониторинг смежных структур могут смягчить эти риски. В некоторых случаях подпорка смежных структур может быть необходима до начала строительства фундамента.

Проблемы конструкционности

Общие проблемы конструктивности включают неадекватные разрешения для строительного оборудования, перегрузку арматуры, которая предотвращает правильное размещение бетона, и секвенирование конфликтов между различными строительными видами деятельности. Раннее участие подрядчиков в обзорах проектирования может выявить и решить проблемы конструктивности, прежде чем они повлияют на график проекта и бюджет.

Требования к нормативным и кодовым требованиям

Проектирование фундамента должно соответствовать применимым строительным нормам и стандартам, которые варьируются в зависимости от юрисдикции. Международный строительный кодекс (IBC), ASCE 7 для нагрузок и ACI 318 для конкретного дизайна обычно используются в Соединенных Штатах. Другие страны имеют свои собственные коды, такие как еврокоды в Европе, британские стандарты в Великобритании и различные национальные кодексы в других местах.

Стандарты геотехнического проектирования содержат рекомендации по методам исследования, процедурам анализа и критериям проектирования. К ним относятся стандарты AASHTO для транспортных структур, руководства FHWA для глубоких фундаментов и различные отраслевые стандарты от таких организаций, как ASTM International и Deep Foundations Institute.

Требования к разрешениям варьируются в зависимости от юрисдикции, но обычно требуют представления расчетов конструкции, чертежей и геотехнических отчетов для рассмотрения и утверждения должностными лицами здания. Могут потребоваться специальные разрешения для таких видов деятельности, как обезвоживание, вождение в свай в зонах, чувствительных к шуму, или работы, затрагивающие государственные права на проезд.

Управление рисками и планирование на случай непредвиденных обстоятельств

Фундаментальное строительство предполагает присущие ему неопределенности и риски, которые необходимо выявлять и управлять.Комплексный подход к управлению рисками включает выявление потенциальных рисков, оценку их вероятности и последствий, разработку стратегий смягчения последствий и разработку планов действий в чрезвычайных ситуациях.

Общие риски включают в себя столкновение с неожиданными почвенными условиями, проблемами грунтовых вод, препятствиями, такими как валуны или захороненные конструкции, и строительными дефектами. Планы на случай непредвиденных обстоятельств должны быть разработаны для вероятных сценариев, включая альтернативные конструкции фундамента, которые могут быть реализованы, если условия значительно отличаются от тех, которые предполагались в первоначальном проекте.

Проектирование должно включать положения для адаптации к полевым условиям, такие как определение диапазона приемлемых длин свай, а не одной фиксированной длины, или включение деталей для модификаций фундамента, которые могут потребоваться.

Заключение

Проектирование фундаментов высотных зданий требует интеграции геотехнического проектирования, конструкционного проектирования, строительных технологий и управления проектами. Выбор правильного типа фундамента является критическим шагом в строительстве прочного и прочного высотного здания. Рассматривая такие факторы, как тип почвы, нагрузка на здание и сейсмическая активность, можно выбрать наиболее подходящий тип фундамента. Кроме того, консультации с геотехническими и структурными экспертами настоятельно рекомендуется получить лучшие рекомендации фундамента для высотных зданий.

Успех требует тщательного исследования участка, тщательного анализа с использованием соответствующих методов и инструментов, внимания к конструктивности и всестороннего контроля качества во время строительства.Фонд должен безопасно поддерживать все ожидаемые нагрузки при ограничении населенных пунктов до приемлемых уровней, противостоять боковым силам и опрокидывающим моментам и обеспечивать адекватную долговечность намеченного срока службы здания.

По мере того, как здания продолжают расти, а строительство переходит во все более сложные объекты, инженерия фундамента будет продолжать развиваться. Новые материалы, методы строительства и методы анализа расширят возможности для проектирования фундамента. Однако фундаментальные принципы понимания поведения почвы, расчета нагрузок и мощностей и обеспечения адекватных факторов безопасности останутся центральными для успешной инженерии фундамента.

Инженеры, проектирующие высотные фундаменты, должны сочетать теоретические знания с практическим опытом, вынося здравые суждения перед лицом неопределенности. Сотрудничество между инженерами-геотехниками, инженерами-строителями, подрядчиками и другими заинтересованными сторонами проекта имеет важное значение для разработки безопасных, экономичных и конструктивных решений. При правильном планировании, анализе и исполнении системы фундамента могут быть спроектированы и построены для поддержки даже самых амбициозных проектов высотных зданий.

Дополнительные ресурсы

Для инженеров, стремящихся углубить свои знания в области проектирования высотных фундаментов, доступны многочисленные ресурсы. Профессиональные организации, такие как Институт глубинных фондов (]https://www.dfi.org), Американское общество инженеров-строителей (]https://www.asce.org), и Международная ассоциация мостовой и строительной инженерии предоставляют технические публикации, конференции и образовательные программы. Академические учреждения предлагают специализированные курсы и исследовательские программы в области геотехнической и фундаментной инженерии.

Отраслевые публикации и технические журналы регулярно публикуют тематические исследования и исследования по темам инженерного проектирования фундамента. Сохранение актуальности разработок в этой области посредством непрерывного образования и профессионального развития имеет важное значение для инженеров, работающих над проектами высотного фундамента. Сложность и важность этих проектов требуют высочайшего уровня технической компетентности и профессионального суждения от инженеров, ответственных за их проектирование и строительство.