В оживленном портовом городе Джизан на побережье Красного моря грузовики с зерном теперь свободно курсируют по огромному складу, который с самого начала казался обреченным на разрушение.
Автор: Шон О’Нил (Sean O’Neil)
За несколько лет до завершения строительства, приблизительно в 2017 году, по бетонной плите, стенам и стыкам склада пошли трещины. Вследствие неравномерной осадки произошла деформация пола и стен, а прибытие крупных партий зерна лишь ускорило разрушение. Почему началось такое серьезное разрушение фундамента?
Хамза аль-Хашеми (Hamzah Al-Hashemi) отвечает просто: «Добро пожаловать в Бермудский треугольник проектирования наземных объектов». Инженер-геомеханик аль-Хашеми — генеральный и технический директор компании GeoStruXer, которую он основал в 2023 году вместе со своей супругой Даной аль-Фалейлех (Dana Al-Faleyleh), инженером-проектировщиком строительных конструкций. Их личное и профессиональное партнерство — редкость в отрасли, где «аналитика недр» и «строительная механика» обычно существуют в отдельных мирах. Однако именно этот синтез и проявил свою силу при спасении склада в Джизане.
Пара решила выяснить, что скрывают недра, а затем с помощью программных решений Bentley и Seequent разработала план реконструкции, отличающийся настолько высокой эффективностью и экологичностью, что он был удостоен премии Bentley Envision Award (Seequent — подразделение компании Bentley по изучению недр). Эта награда, присуждаемая компанией Bentley Systems в рамках ежегодной конференции «Переход на цифровые технологии в области инфраструктуры» и премии «Переход на цифровые технологии» (YII), выделяет проекты, сочетающие инженерное мастерство, экономическую ценность и измеримые экологические и социальные выгоды.
Генеральный директор Bentley Николас Каминс (Nicholas Cumins) отметил в своем основном докладе на YII: «Этот проект — яркий пример того, как инженеры могут использовать ИИ вместе с такими приложениями, как PLAXIS, для принятия более взвешенных решений и создания более устойчивой инфраструктуры. По-настоящему вдохновляющая работа!» Николас Каминс также опубликовал это заявление в LinkedIn.
Продовольственный склад (внизу слева) в порту Джизан, спасенный компанией GeoStruXer с помощью программного обеспечения Bentley и Seequent.
Источник: предоставлено автором
Дополнительные статьи:
Пока проблемой не занялась семейная пара, владельцы склада искали способ остановить осадку, но все предложения ограничивались чрезмерно сложными и непомерно дорогостоящими решениями, требующими использования тысяч глубоких микросвай или массивных бетонных плит.
В те годы, когда склад в Джизане простаивал, аль-Хашеми защитил магистерскую диссертацию по геотехнике в Университете имени короля Фахда в Саудовской Аравии и начал работать в бахрейнской компании, запускавшей новое подразделение по работе с микросваями. Отметим, что микросваи — это стальные стержни или трубы, которые забуриваются в более прочные слои грунта и закрепляются бетоном или тампонажным раствором. Они поддерживают здания там, где поверхностный грунт слишком слабый или рыхлый, либо когда условия площадки не позволяют применять более крупные конструкции. Первым заданием аль-Хашеми стало амбициозное проектирование уникального «плитного» фундамента, возводимого на рекультивированной территории с использованием микросвай, для объекта площадью 70 000 м² под названием Al-Madina Al-Shamaliya (AMAS, «Северный город») в рамках проекта Мадинат-Салман в Бахрейне. «Мы понимали, что это будет самая большая в мире постнапряженная бетонная плита на микросваях, — вспоминает он. — Мы даже обратились в Книгу рекордов Гиннесса, но такой категории там не нашлось, что неудивительно».
В соседнем кабинете работала аль-Фалейлех. «Мы познакомились именно на том проекте, — рассказывает аль-Хашеми. — Я проектировал основание, она — бетонную плиту. Но наши отношения начались еще до технических обсуждений, с совместных обедов». Профессионально они также быстро нашли общий язык: они оба видели, насколько часто геотехнические и конструктивные работы рассматриваются как отдельные миры, что приводит к перерасходу, избыточному проектированию или прямым отказам конструкций. Вскоре они поженились.
С началом реализации программы «Видение Саудовской Аравии 2030» и ростом числа мегапроектов спрос на экспертные инженерные навыки местных специалистов резко повысился. После года работы на Кипре, где аль-Хашеми занимался данными спутниковой радиолокационной интерферометрии InSAR (измеряющей смещения грунта с миллиметровой точностью), пара вернулась в регион и узнала о проблемном складе в Джизане.
Увидев в этом проекте идеальную испытательную площадку для своих идей, в конце 2023 года аль-Хашеми и аль-Фалейлех основали компанию GeoStruXer. Их целью было объединить геотехническое и конструктивное проектирование под одной крышей, используя данные и цифровое моделирование, чтобы показать, как рациональный подход может решить даже самые сложные геологические задачи региона.
Хамза аль-Хашеми (слева) и Дана аль-Фалейлех (справа), компания GeoStruXer.
Источник: предоставлено автором
«Бермудский треугольник» Джизана
Если где-то и существует идеальное место для проверки возникшей гипотезы, то это Джизан. Город расположен на так называемых грунтах сабха — соленасыщенных прибрежных равнинах, которые не только проседают, но и вызывают коррозию фундаментов. Сейсмическая активность и экстремальная жара еще больше усиливают риски. «В старой докладной записке рабочей группы Геологической службы США говорилось, что склад в Джизане лучше демонтировать и перевезти в другой район», — отмечает аль-Хашеми.
К моменту завершения объекта в порту Джизана в 2017 году дифференциальная деформация (неравномерная осадка) здания составляла 170 мм (6,7 дюйма). К сожалению для GeoStruXer, у заказчика не было надежных исторических данных о характере осадки. Имелось четыре отчета по грунтам, подготовленных по заказу владельца, но они противоречили друг другу и не объясняли масштаб деформации.
Аль-Хашеми загрузил самые пессимистичные данные в PLAXIS 3D — передовое программное обеспечение Seequent для трехмерного моделирования взаимодействия грунта, фундаментов и конструкций. Однако модель объяснила лишь часть наблюдаемой 170-миллиметровой деформации. «Должен был существовать еще какой-то фактор, зависящий от времени», — вспоминает он. Изучив старые геологические отчеты, он пришел к главному выводу: весь район склада расположен над 5-километровым соляным куполом — огромной массой древней каменной соли, которая движется, деформируется и растворяется при контакте с грунтовыми водами, медленно увлекая за собой все, что находится выше.
Это была серьезная проблема. «Столкнувшись с соляным куполом, его нельзя одолеть или устранить, с ним нужно жить, — говорит аль-Хашеми. — Но нужно понимать, как он себя ведет». Когда соляной купол начинает растворяться и образует подземную полость, он постепенно втягивает в себя песок, расположенный сверху.
Что находится под землей? Опасное сочетание условий, с которым не справится ни один инженерный подход, кроме максимально комплексного.
Чтобы понять, можно ли «жить» с таким соляным куполом, аль-Хашеми понадобилась своеобразная машина времени. Он нашел ее в небе.«Данные InSAR, полученные через наш офис на Кипре, позволяют нам путешествовать во времени», — говорит он. Начиная с 2017 года, данные показали не просто проблему одного склада, а оседание целого города. «Когда мы получили данные, оказалось, что проседает не только наше здание, но и весь город, примерно на 20–25 мм в год в разных районах».
Как компания GeoStruXer предсказала будущее
Обладая этими ценными данными, команда воспользовалась моделью симуляции в программе PLAXIS 3D, которая часто применяется в горнодобывающей промышленности, поскольку полости, образованные соляными куполами, нередко используют для хранения нефтехимических продуктов. (Для любителей деталей: использовалась модель Norton Double Power Creep (N2PC) для описания ползучести соли.) Команда варьировала параметр ползучести (деформации грунта во времени) до тех пор, пока симуляция осадки под складом не совпала с данными InSAR. Догадки больше не были нужны: появилась локальная, учитывающая временной фактор модель поведения грунтов. У команды появилось четкое представление о том, как грунт будет вести себя под статическими и сейсмическими нагрузками в будущем.
«Мы откалибровали прошлое, рассчитали настоящее — и это дало нам возможность предсказать будущее», — говорит аль-Хашеми.
Команда приступила к проектированию рациональной реконструкции, а не излишне упрочненного фундамента. Вооружившись откалиброванной моделью, компания GeoStruXer применила искусственный интеллект (ИИ), чтобы автоматизировать задачи, ручная обработка которых заняла бы месяцы. В программе PLAXIS алгоритм варьировал более десятка геотехнических параметров в слоях грунта и микросваях (жесткость, ползучесть и другие) и запускал множество симуляций, чтобы определить, как потенциальные конструкции отреагируют на нагрузки. Результатом стал «золотой диапазон» — около 800 микросвай, что резко контрастировало с предыдущим проектом, предусматривавшим 2700 микросвай.
Для заверки цифровой модели на площадке установили пробную микросваю и провели ее испытание плитой до разрушения. Измеренное поведение грунта и модель в PLAXIS совпали практически идеально (а это редкая степень соответствия при проектировании наземных объектов), что окончательно подтвердило правильность запланированной реконструкции.
Модель PLAXIS 3D, демонстрирующая ожидаемую временную деформацию завершенного проекта фундамента при землетрясении.
Когда была готова заверенная модель грунта, фокус сместился на конструкцию — область ответственности аль-Фалейлех. Ее решение, разработанное в программном обеспечении RAM Concept от Bentley, заключалось в сочетании микросвайного фундамента с новой постнапряженной бетонной плитой. Такая система прочнее и тоньше обычной плиты благодаря высокопрочной арматуре, натягиваемой после заливки бетона. Обычно подобные плиты рассматриваются как «плавающие» и несут лишь небольшую часть нагрузки. Но благодаря заверенной модели геологической среды GeoStruXer аль-Фалейлех смогла спроектировать систему, в которой нагрузка между микросваями и плитой распределялась в соотношении 70/30, что позволило снизить расход материалов и повысить устойчивость без ущерба для надежности.
Модель PLAXIS 3D, демонстрирующая ожидаемую временную деформацию завершенного проекта фундамента при землетрясении.
Преимущества нового проекта оказались впечатляющими. Компания GeoStruXer снизила расходы материалов более чем на 70% и сэкономила 1200 тонн стали за счет использования 779 более коротких и легких микросвай вместо 2700 длинных и тяжелых. Воплощенные выбросы углерода были сокращены приблизительно на 80%. Благодаря экономически эффективному проектному решению стоимость фундамента была уменьшена более чем на 2 млн долларов США. Текущая деформация реконструированного склада составляет лишь 1/16 от прежней и находится в пределах допустимых норм.
Этот подход сработал исключительно благодаря комплексному использованию данных, моделирования и инструментов проектирования. Дистанционное зондирование зафиксировало историческое движение грунта. Программное обеспечение PLAXIS 3D превратило эти данные в откалиброванную прогностическую модель. Программа RAM Concept перевела реакцию грунта в оптимизированную плиту с постнапряжением, которая эффективно разделяет нагрузку с микросваями.
Модель на будущее
Аль-Фалейлех говорит о рисках игнорирования грунта прямо: «Часто инженеры-проектировщики строительных конструкций просто открывают геотехнический отчет, берут одно значение несущей способности, запускают свою модель — и на этом все. В результате либо проектируется излишне сложная конструкция, либо, напротив, закладывается недостаточный запас прочности».
Аль-Хашеми много знает об этой зашоренности по собственному опыту. «Я два года убеждал Общество инженеров Бахрейна признать меня инженером-геомехаником, — говорит он. — В конце концов, меня официально признали таким специалистом».
Сегодня компания GeoStruXer помогает менять подобное мышление. Оба инженера являются квалифицированными инструкторами Bentley: аль-Хашеми — по PLAXIS, аль-Фалейлех — по RAM Concept. Они обучают практике сопряженного проектирования, используя реальные проекты.
Аль-Хашеми также основал платформу Gulf Geotechnical Engineers, объединяющую около 3000 инженеров на Ближнем Востоке, и является сопредседателем Международной конференции по инновациям в геотехнике. Кроме того, он проводит вебинары и другие мероприятия. Цель проста: нормализовать сотрудничество между геотехникой и строительной механикой, чтобы рациональное проектирование стало отраслевым стандартом.
Сегодня склад в Джизане функционирует в полную силу: его состояние устойчивое, контролируемое и предсказуемое. Впервые владелец понимает, как объект будет вести себя в ближайшее десятилетие. Прорыв GeoStruXer заключался не в единственном открытии, а в синтезе отчетов по грунтам, содержащих фрагменты точной информации, спутниковых данных, показавших историю движения грунта, и геотехнических и конструктивных моделей, трансформировавших все это в надежный, рациональный проект.
Единство данных и проектирования, грунта и конструкции, профессионального партнерства и семейных связей — вот что определяет работу GeoStruXer. Проект в Джизане может стать эталонной моделью для регионов с соляными куполами и грунтами сабха на Ближнем Востоке, согласно которой работа будет вестись по схеме «калибровка исторических данных, расчет текущих данных, прогнозирование будущего — и строительство только того, что действительно необходимо».
Статья впервые опубликована на ресурсе Bentley Blog и перепечатана с разрешения.