Pentominium – najwyższy apartamentowiec świata o wysokości 516 m jako przykład głębokiego fundamentowania

W momencie ukończenia Pentominium będzie najwyższym i jednym z najbardziej luksusowych apartamentowców świata (Fig. 1), na każdym piętrze znajdować się będzie prywatne foyer, a wejście do budynku będzie możliwe dzięki skanowaniu cech biometrycznych właściciela lokalu.

Fig. 1. Wizualizacja wieżowca Pentominium (źródło Aedas)
Fig. 1. Wizualizacja wieżowca Pentominium (źródło Aedas)

Budowa geologiczna regionu i wykonane badania podłoża gruntowego

Dubaj położony jest na północno-wschodnim krańcu stabilnej geologicznie Arabskiej Płyty tektonicznej, która oddzielona jest na północy od niestabilnej Płyty Irańskiej Zatoką Perską. Zatem jest to region uważany za umiarkowanie aktywny sejsmicznie. Jednakże, jak wynika z przeprowadzonych analiz, podczas projektowania czynnik wiatru był bardziej brany pod uwagę niż czynnik sejsmiczny, co jest uwarunkowane wysokością budowy. Badania geologiczno-inżynierskie podłoża gruntowego przeprowadzone zostały przez firmę ACES i składały się z badań in situ: ośmiu odwiertów o głębokości od 80-125 m, sondowań SPT, badań wodoprzepuszczalności gruntu, badań presjometrycznych przeprowadzonych w interwałach co 3 metry w trzech otworach badawczych oraz badań geofizycznych: cross-hole, cross-hole tomography and down-hole oraz badań laboratoryjnych na pobranych próbkach w stanie nienaruszonym o średnicy rdzenia 92 mm. Badaniami geologicznymi, w podłożu Pentominium, rozpoznano w partii przypowierzchniowej, piaski o różnym zagęszczeniu od luźnych po zagęszczone zalegające do głębokości około 10 m, poniżej których nawiercono słabe lub bardzo słabe skały osadowe reprezentowane przez piaskowce oraz wapienie zalegające warstwą około 80 metrów. Głębiej rozpoznano mułowce i gipsy, których spągu nie przewiercono do głębokości 120 m ppt. Badania laboratoryjne wykonane na pobranych próbach objęły, poza standardowymi badaniami klasyfikującymi grunt i analizami chemicznymi, złożone badania trójosiowe, w tym w kolumnie rezonansowej, na podstawie których wyznaczono parametry wytrzymałościowo-odkształceniowe gruntu i skał podłoża. Szczególnie istotne było wyznaczenie wiarygodnych parametrów podłoża gruntowego w zakresie małych odkształceń na poziomie 0,01-0,1%. Wymienione badania laboratoryjne zostały przeprowadzone według brytyjskich norm BS 5930 i BS 1377. Zainstalowano również piezometry w celu monitorowania wód gruntowych. Poziom wody gruntowej pomierzony podczas badań był zaniżony nawet o 12 m w stosunku do poziomu wieloletniego. Anomalię tę wywołał lej depresji, powstały na skutek odwodnień na potrzeby budowy sąsiednich wieżowców.

Pale fundamentowe – projekt i wykonawstwo

Projekt posadowienia, w tym analiza osiadania zarówno pojedynczych pali jak i grupy pali, został poparty wieloma analizami m.in. przy użyciu programu komputerowego MidasGTs opartego na metodzie elementów skończonych. Wyniki te zostały porównane i skorelowane do danych uzyskanych z pozostałych analiz przeprowadzonych przy użyciu programów Vdisp oraz Repute. Ostatecznie za najkorzystniejsze wybrano pale wiercone o średnicy 1,5 m (oraz lokalnie 1,2 m) i długości od 32-42 m poniżej spodu płyty. Dla zapewnienia stateczności konstrukcji, zaprojektowano płytę fundamentową o wymiarach w palnie 63 x 55 m i grubości 5 metrów (Fig. 2).

Fig. 2. Zbrojenie płyty fundamentowej o grubości 5 m
Fig. 2. Zbrojenie płyty fundamentowej o grubości 5 m

Dla przeprowadzenia właściwej analizy zachowania się posadowienia pod obciążeniem od tak wysokiej konstrukcji oraz w celu uniknięcia efektu warstwy granicznej, koniczne było stworzenie modelu podłoża wykraczającego zdecydowanie poza teren inwestycji i obejmującego przestrzeń o wymiarach 250 x 250 m i głębokości 220 m. Prace fundamentowe przy Pentominium wymagały wykonawcy o bardzo dużym doświadczeniu w realizacji nowatorskich projektów, toteż powierzono je firmie Swissboring Overseas Corporation Ltd., założonej w 1952 roku, specjalizującej się we wszelkich pracach geoinżynieryjnych. Swissboring podczas realizacji robót przy Pentominium wykonał ściany szczelinowe, wykop wraz z odwodnieniem, pale fundamentowe w ilości 250 sztuk oraz ich próbne obciążenia. Wykonane pale fundamentowe są najdłuższymi w Dubaju i sięgają 65 m poniżej powierzchni ternu (Fig. 5). Pale zostały zaprojektowane na podstawie uzyskanych parametrów gruntu podczas badań geologiczno-inżynierskich oraz wyników próbnych obciążeń pali fundamentowych wykonanych na budowie Pentominium oraz wcześniejszych wykonanych na budowach w najbliższym sąsiedztwie, uwzględniając doświadczenia zdobyte podczas wznoszenia innych wieżowców w Dubaju jak np. Burj Khalifa. Generalnym wykonawcą prac budowlanych jest Arabian Construction Company, natomiast inwestorem Trident International Holdings. W marcu 2011 roku wieżowiec osiągnął wysokość 15 pięter (Fig. 3). W chwili obecnej budynek posiada już ponad 25 kondygnacji.

Fig. 3. Wieżowiec w trakcie budowy w marcu 2011 (fot. Michał Grela)
Fig. 3. Wieżowiec w trakcie budowy w marcu 2011 (fot. Michał Grela)

Próbne obciążenia pali fundamentowych

Przed przystąpieniem do robót palowych, wykonano 4 pale do testów próbnego obciążenia. Przeprowadzono na nich badania statyczne i dynamiczne, na podstawie których określono osiadanie pojedynczego pala oraz oceniono zdolności tarcia gruntu na pobocznicy pala. Wstępne testy wykazały większą sztywność pala pojedynczy niż zakładano to w projekcie, jednakże przy obciążeniu zbliżonym do obciążenia roboczego wynoszącego ponad 30 MN osiadania oszacowane w teorii były zbliżone do wyników otrzymanych podczas testów. Podobną zależność zaobserwowano w przypadku tarcia na pobocznicy pala, którego wartość maksymalna nie została ostatecznie osiągnięta podczas testów obciążeniowych. Obciążenia statyczne zostały przeprowadzone przy użyciu testu Osterberga (Osterberg Cell lub "O-Cell'), który polega na zamontowaniu w palu komory ciśnieniowej (Fig. 4). Pozwala to na wywołanie ruchu górnej części pala w górę, zaś dolnej części pala w dół. Próbne obciążenia wykonane na budowie Pentominium, były wykonane przy zamontowaniu komory ciśnieniowej poniżej połowy długości pala, po to aby zmniejszyć nacisk na podstawę i zbliżyć do siebie moment utraty stateczności na pobocznicy i w podstawie. Test Osterberga może być kontynuowany do czasu osiągnięcia maksymalnego tarcia na pobocznicy pala, osiągnięcia maksymalnego oporu pod podstawą pala lub osiągnięcia maksymalnego wydatku komory ciśnieniowej. Standardowe komory “O-Cell” przystosowane są do zadawania obciążenia odpowiadającego od 0,7 MN do 27 MN, przy czym możliwe jest zwiększenie tego zakresu poprzez zastosowanie zespołu komór w jednej płaszczyźnie i uzyskanie obciążenia przekraczającego nawet 200 MN.

Fig. 4. Schemat testu Osterberga (źródło www.loadtest.co.uk)
Fig. 4. Schemat testu Osterberga (źródło www.loadtest.co.uk)

Stosowanie tej technologii spowodowało wzrost ilości testów próbnego obciążenia pali fundamentowych w ostatnim czasie, ze względu na precyzyjne ocenianie nośności pala i określanie zależności obciążenie w głowicy - osiadanie pala, co jest dużym problemem w tak odpowiedzialnych, kosztownych i nowatorskich konstrukcjach. Szczególnie wtedy, kiedy 80-90% nośności pala wynika z tarcia o pobocznicę, jak w przypadku Pentominium.

Wnioski końcowe

Pomimo danych uzyskanych z testów Osterberga pozwalających na skrócenie pali nie zastosowano takiego zabiegu ze względu na wysoką wartość momentu wywracającego. Bardzo ważnym aspektem w projektowaniu posadowienia Pentominium była prognoza wpływu inwestycji na budowle sąsiednie oraz wpływu wieżowców sąsiednich na Pentominum, szczególnie 100-piętrowej wieży Marina 23 będącej w trakcie budowy, dlatego też analizy komputerowe uwzględniły również ewentualną możliwość przechylenia się którejś z wież. Przeprowadzone badania i analizy dotyczące sposobu posadowienia wieżowca oraz współpraca fachowców z różnych dziedzin budownictwa, przyczyniły się do zoptymalizowania projektu co w rezultacie pozwoliło obniżyć koszty inwestycji. Budowa Pentominium może służyć także jako przykład wzorcowej współpracy osób odpowiedzialnych za konstrukcję podziemną budynku, tak geologów, projektantów jak i inżynierów wykonawców fundamentu, a dokładnie przeprowadzone badania podłoża i liczne analizy na etapie projektowania doprowadziły do zdecydowanego zmniejszenia kosztów posadowienia na etapie wykonawstwa.

Fig. 5. Porównanie Pentominium z najwyższym budynkiem w Polsce – Pałacem Kultury i Nauki w Warszawie wg M. Greli (źródło rysunkó
Fig. 5. Porównanie Pentominium z najwyższym budynkiem w Polsce – Pałacem Kultury i Nauki w Warszawie wg M. Greli (źródło rysunkó

Artykuł publikowany w Geoinżynieria drogi mosty tunele 4/2011