Фундамент небоскреба представляет собой массивную и сложную конструкцию, обеспечивающую устойчивость и безопасность здания. Чаще всего он выполняется в виде плиты или свайного фундамента, который погружается в грунт на необходимую глубину, чтобы равномерно распределить вес конструкции и предотвратить осадку или смещение.
Строительство фундамента требует учета многих факторов, таких как тип грунта, уровень водоносных слоев и нагрузка от небоскреба. В результате получается мощная основа, которая может достигать значительных размеров и укрепляться бетонными и стальными элементами, что гарантирует долговечность и надежность всего здания.
Почему небоскребы не падают: секреты строительства сверхвысоких зданий
Небоскребы стали строить когда-то из желания сэкономить стремительно дорожавшую землю в американских городах. Сейчас это соображение, похоже, давно не является решающим. Сверхвысокие здания в наши дни воздвигают с иной целью – показать богатство, мощь, амбиции. Однако будь гонка небоскребов хоть тысячу раз ярмаркой тщеславия, их возведение не перестанет быть сложнейшей инженерной проблемой.
Олег Макаров
Обсудить тему
Когда рассказывают об очередном рекордно высоком сооружении, обычно говорят о том, что вздымается над землей: о высоте, количестве этажей и лифтов, о смотровых площадках, с которых видно полмира, и о том, например, как доставить воду на сто-какой-нибудь этаж, чтобы водопровод при этом не разорвало от огромного давления в трубах. Меньше говорят о подземной части, хотя вопрос о том, как гигантские, почти километровые «иглы», вроде построенной Burj Khalifa, держатся в грунте, весьма интересен.
Почему они не падают? Почему не проваливаются в грунт и как выдерживают колоссальные ветровые нагрузки?
Чтобы разобраться в технологии сооружения оснований для небоскребов, «ПМ» обратилась в московский институт «Горпроект», занимающийся, в частности, проектированием высотных зданий. Нашим консультантом любезно согласилась выступить руководитель конструкторского отдела ЗАO «Горпроект», кандидат технических наук Елена Зайцева.
Самый высокий в мире небоскреб Burj Khalifa — пример возведения сверхвысокого здания на сильнодеформируемом основании. Для придания зданию устойчивости были использованы 192 сваи по 1,5 м в поперечнике.
Здесь вам не Манхэттен
«Основным при проектировании фундамента высотного здания является, безусловно, высокая нагрузка, передаваемая сооружением на основание, — говорит Елена Зайцева. — Необходимо различать понятия "фундамент" и "основание здания". Под фундаментом понимают часть здания (нижние конструкции — плита, свайный ростверк, сваи ), которая передает нагрузку от сооружения на грунт.
И, соответственно, под основанием понимают массив грунта, в котором возникают дополнительные напряжения и осадки в результате воздействия на него здания через его фундамент. Задача состоит в том, чтобы правильно спроектировать и основание, и фундамент. Основная сложность возникает в связи с тем, что высота здания большая, а площадь передачи нагрузки на основание по отношению к высоте сооружения мала. Это приводит к высоким напряжениям как в самой конструкции фундамента (большие изгибающие моменты и значительная продавливающая нагрузка от стен и колонн), так и в основании (фундамент-грунт)».
Таким образом, от характеристик грунта напрямую зависит конструкция фундамента. Известно, что в самом знаменитом парке небоскребов — на острове Манхэттен — скальный грунт находится у поверхности, что значительно облегчает работу проектировщиков. Достаточно расчистить ровную площадку — и на нее можно поставить фундамент в виде толстой плиты из армированного бетона.
Однако в наши дни чемпионат по сверхвысотному строительству происходит в другом уголке мира — на Аравийском полуострове. Именно там стоит самый высокий небоскреб Burj Khalifa (828 м, ОАЭ) и готовится возведение другого монстра высотой в 1007 м — Kingdom Tower (Саудовская Аравия). Последний хотели сделать высотой в милю (1609 м), но геологи сказали решительное «нет» — грунт не выдержит.
Аравия — пустынная земля, сформированная донными отложениями древнего океана, то есть состоящая преимущественно из песчаных пород. Только на глубине встречаются относительно твердые породы типа известкового скалистого грунта. Этот фактор приходилось учитывать чикагскому архитектору Эдриану Смиту, главному творцу аравийских чудес, и другим авторам проектов небоскребов на песке.
Держась за недра
Фундамент Burj Khalifa был разработан как свайно-плитный. Плита толщиной 3,7 м являет собой нечто вроде цветка с тремя лепестками, что отражает общую конструкцию здания, состоящую из центрального шестигранного ядра и трех крыльев, выполняющих роль контрфорсов (вертикальных подпирающих конструкций). Это придает зданию большую жесткость на боковую нагрузку и кручение. Плиту решено было опереть на 192 сваи диаметром 1,5 и длиной 43 м. Сваи под небоскребы в большинстве случаев являются буронабивными, то есть изготавливаются путем бурения скважин нужных диаметра и глубины и последующего их заполнения элементами арматуры и бетонным раствором.
Схема показывает распределение нагрузки на плиту фундамента. Желтым и коричневым выделены зоны наибольших вертикальных нагрузок. Они приходятся на крылья, выполняющие роль контрфорсов.
Иногда сваи пронизывают слои мягкого грунта и достигают на определенной глубине твердой скальной породы, давая твердую опору фундаменту. Но в Аравии даже на глубине 50 м породы мягкие, с низкой степенью цементации. Сваи, подпирающие плиту фундамента, являются по сути «висячими», то есть нагрузка от здания передается верхним слоям грунта через плиту и нижним — в основном через трение поверхностей сваи и грунта.
Интересную инженерную проблему пришлось решать при строительстве куала-лумпурских башен-близнецов — Petronas Towers. Под местом их будущего фундамента присутствовал твердый скальный грунт, но в виде довольно крутого склона. Была возможность выбрать вариант со сваями, опирающимися на скалу, но тогда одни из них были бы совсем короткими, а другие — намного более длинными. Проектировщики опасались, что под весом зданий более длинные сваи со временем сожмутся и их длина существенно сократится, в результате чего возникнет крен. В конце концов было решено перенести строительство туда, где скальный грунт не подходил близко к поверхности, и поставить небоскребы на «висячих сваях».
Бетон отлично работает на сжатие, но не так хорошо — на растяжение и изгиб. «При возведении фундаментов используют железобетон, включающий в себя стальную арматуру и тяжелый бетон, — объясняет Елена Зайцева. — Плиты армируются горизонтальными сетками, воспринимающими изгиб, а нагрузки на сжатие принимает на себя бетон. Диаметр стальной арматуры в плитах достигает 40 мм, но в сваях могут использовать специальную арматуру и большего диаметра». Таким образом, сверхвысокое здание передает вертикальную нагрузку и изгибающие моменты основанию через плитный или плитно-свайный фундамент. Но как происходит крепление самого здания к фундаменту?
Московская специфика
Одной из особенностей проектирования высотных зданий в Москве можно назвать отсутствие прочных скальных грунтов и местами довольно высокий уровень грунтовых вод. Грунтовая толща в Москве представлена переслаивающимися слоями песчаных и глинистых грунтов различной консистенции.
В принципе, это довольно хорошее основание для обычных зданий, однако учитывая, что давление под подошвой фундамента высотного здания находится в среднем в диапазоне 7-11 кг/см 2 этого становится недостаточно. Правда в Москве практически повсеместно на доступной (для зданий с большой подземной частью) и при наличии свайного основания залегает слой известняков.
На него и стараются опереть фундаменты небоскребов. Однако известняк это материал, во-первых, существенно менее прочный, чем, например, тот же гранит и, во-вторых, они склонны к разрушению под воздействием кислот.
Учитывая, что продукты жизнедеятельности человека медленно, но верно загрязняют горизонты подземных вод, необходимо иметь это в виду в долговременной перспективе существования небоскреба. Зато нам повезло с отсутствием ураганов и землетрясений, которые имели бы частый и катастрофичный характер.
Вопросы защиты котлована от подтопления грунтовыми водами в период строительства решаются либо глубинным водопонижением с помощью иглофильтрационных установок, качающих воду с глубин ниже дна котлована, либо созданием водонепроницаемой «стены в грунте», нижний конец которой опускают в глинистый грунт, являющийся водоупором (т.е. непропускающий воду). Защиту подземной части здания от воды выполняют либо с помощью разных систем гидроизоляции, либо применяя, так называемую, «белую ванну». Это специальный бетон с пониженной водопроницаемостью, а в местах устройства деформационных и технологических швов устанавливаются эластичные шпонки, которые препятствуют просачиванию воды по швам. Безусловно, эти работы требуют хорошей квалификации строителей, т.к. ошибки допущенные при устройстве подземной части здания исправить очень трудно и очень дорого.
Непрерывная связь
«В настоящее время, если речь идет о высотных зданиях, соединение непосредственно конструкций здания с плитой или ростверком (балкой, распределяющей нагрузку на сваи) выполняется по жесткой схеме, — говорит Елена Зайцева. — Из плиты делаются выпуски арматуры в местах опоры на нее вертикальных конструкций таким образом, чтобы они совпадали с арматурой этих конструкций. Впоследствии при бетонировании стен и колонн арматура плиты и конструкций соединяется, образуя непрерывную связь. Это позволяет небоскребу иметь надежный "якорь", куда будет передаваться горизонтальная нагрузка, возникающая при порывах ветра или сейсмических толчках, оказывающих сдвигающее воздействие. Что же касается соединения свай с ростверком, то здесь возможно шарнирное соединение, когда арматура сваи не заводится в плиту ростверка, или жесткое — когда не только арматура, но и часть головы сваи заводится в плиту. В первом случае от здания передаются только вертикальные нагрузки на сваи, во втором — также и изгибающий момент».
Свайная суперсила
Более 600 тысяч тонн на площади фундамента в 5700 квадратных метров… Вряд ли вы найдете в мире аналоги параметров петербургского «Лахта центра». Держать супертолл и супертяж помогают сваи. Непростые. Они не опираются, они – висят.
Стало не по себе? Не спешите обходить участок строительства по радиусу в 500 метров. Разберемся, как можно получить надёжную опору от того, что находится в «висячем» положении.
— А что, картошка? Ты думаешь, картошка – это так вот просто, сварил и съел? Не тут-то было! Из картошки знаешь, сколько можно блюд приготовить? А ну, считай: картошка жареная, отварная, пюре, картофель фри, картофель пай.
Картофельные пирожки с мясом, с грибами и так далее. Картофельные оладьи, картофельная запеканка, картофель тушеный с черносливом, картофель тушеный с лавровым листом и с перцем, картофель молодой отварной с укропом, шаньги… (Х/ф «Девчата», 1961 г)
Я не случайно вспомнил этот отрывок из старого советского фильма. Как же ошибаются те, кто считает, что свая – это некий «столб», простой и безыскусный, как картофельный клубень.
Сегодняшние сваи бесконечно далеко ушли от прадедов — деревянных бревен. Они могут быть бетонными, стальными, железобетонными, комбинированными – по материалам. Забивными, вдавливаемыми, вкручиваемыми, буровыми, набивными, буронабивными – по способу, которым они попадают в грунт. Их могут сделать заранее и погрузить в шахту или изготовить прямо в ней.
По методу работы свая может быть висячей или опорой- стойкой. Современная свая – само по себе искусное инженерное сооружение.
А можно еще так. 1988 г. Экспериментальный способ доставки свай в грунт — «застреливание», в данном примере — сквозь воду. Армейское орудие перепрофилировано для строительных целей. Глубина забивки увеличена в 2-2,5 раза за один выстрел в «в сравнении с иным использованием той же энергии». Источник.
А теперь еще усложним задачу – сваи работают в группе — свайном поле. В рамках поля свайные параметры могут меняться. Рецептуру поля прописывают геотехники – свою, в каждом отдельно взятом случае. В случае башни «Лахта центра» — уникального сооружения в грунтовых условиях третьей, самой сложной категории – эта рецептура составлена виртуозно.
Туман над свайным полем «Лахта центра». 2013 г
А нужны ли сваи?
При всей очевидности ответа, он не очевиден. Высотные здания в принципе могут обойтись и без них. Пока несостоявшийся петербургский небоскреб Ingria Tower (165 м), который должны возводить на Поклонной горе, по проекту не имеет свай – только плиту. Конечно, не от хорошей жизни: под землей в этом месте проходит зона влияния тоннелей метро. Тем не менее, расчеты компании подтверждали надежность конструкции, впоследствии решение одобрила «Главгосэкспертиза».
Проект строительства не получил согласования «Госстройнадзора». Не из-за свай. Причина – несоответствие Градплану и «лишний» подземный этаж. Авторы проекта – «Архитектурная мастерская Царицына». Фотоисточник
Может, и в «Лахта центре» обойтись без свай? Просто сделать плиту помощнее да поглубже? Первое, что делают геотехники, получив результаты подземных изысканий – отвечают на этот вопрос. Вердикт однозначен – строительство на естественном основании для «Лахта центра» невозможно. Опорные слои — вендские глины, расположены слишком глубоко.
Как не заглубляй фундаментную плиту, до них все равно далеко. Даже если бы опорный слой был близко – без свай не обойтись. На то есть причина.
Чего боятся геотехники
Любое здание дает осадку. Механику процесса легко представить – вы садитесь на диван и продавливаете подушку.
Здание и грунт работают также
Сама по себе осадка не представляет угрозы. Проблемы начинаются только когда она проходит неравномерно. Страшный сон любого геотехника – это крен или прогиб фундамента до закритического состояния.
В случае супертолла ставки растут. Не только из-за высоты башни.
В «Лахта центре», как в большинстве современных небоскребов, основной элемент системы устойчивости – ядро.
У петербургской башни оно железобетонное, очень массивное – толщина стены от 2,5 до 0,8 метра с утоньшением по мере набора высоты. Диаметр тоже убывает, максимальный радиус – 26 метров в основании башни.
Большая часть нагрузки на фундамент должна прийтись именно на этот 26-метровый участок.
Ядро «Лахта центра» на уровне фундамента. 2015 г
Блюдце, суповая тарелка или стакан
Наибольшее давление на основание – по центру, наименьшее – по краям. Сплошная плита фундамента будет прогибаться. В «стакан» она, конечно не превратится – закритическое состояние наступит еще на этапе «суповой тарелки».
Можно сделать плиту жестче – больше арматуры, больше железобетона, больше прочности! По расчетам, требуемая жесткость достижима в плите толщиной 8 метров.
Таких монолитных плит в мире нет. Небоскреб Messe Torhaus (Франкфурт) имеет в фундаменте 6-метровые участки. Больше такой подвиг никто не повторял.
Messe Torhaus, 117 м. Фотоисточник
Есть причина, по которой никто и никогда не будет делать плиту толщиной 8 метров из бетона. Парадоксально, но она просто не будет прочной. Это произойдёт из-за появления трещин во время остывания бетонной смеси. Управлять процессом экзотермии на монолите такой толщины вряд ли возможно.
Фото из инстаграма Саратовского завода бетонных смесей. (Иллюстрация, не является демонстрацией качества продукции завода — см. инстаграм)
Messe строили в 1983-84-м, сейчас есть более эффективное техническое решение – коробчатый фундамент. Чтобы не отходить далеко от свайной темы, пока просто примем как факт – под башней «Лахта центр» в итоге фундамент именно такой, коробчатый. Как он работает на равномерное распределение нагрузок, расскажем в отдельном посте.
Коробчатый фундамент не даст плите уподобиться суповой тарелке. Но добиться идеально одинакового давления по всей площади основания ему все же не под силу. Чтобы предотвратить эффект «блюдца», в бой вступает свайное поле.
СИНХРОНИЗАЦИЯ ОСАДКИ
Первое, что нужно знать для создания равномерной осадки – как нагружены разные участки под основанием.
Посмотрим на схему.
Три зоны нагрузки
Первый сюрприз – благодаря коробчатому фундаменту теперь под центром будут малонагруженные сваи.
Зона повышенного внимания – вторая, между центром и периферией — значительная нагрузка из-под ствола здания перешла в эту зону. Дальше – за контуром здания, на периферии, давление ослабевает.
Теперь нужно сделать так, чтобы все участки оседали синхронно. Дирижировать оркестром будут геотехники.
Есть три параметра свай, которые можно регулировать.
Первый – длина. Она повышает несущую способность сваи и замедляет скорость осадки. За контуром здания — сваи по 55 метров. Внутри — на десять метров длиннее.
Второй параметр – частота свайного шага. Под ядром и в периферии он равен 5 метрам. В зоне концентрации нагрузки «ускоряется» до 3-4 метров.
Свайное поле под башней. Темным значком обозначены сваи длиной 65 м., светлым — 55 м.
Третье – ширина сваи. Она не меняется – диаметр всех конструкций — 2 метра. Это – самые широкие сваи в мире.
Подготовка армокаркаса сваи
Ширина повышает несущую способность. По расчетам, средняя нагрузка на сваи – 2 545 Тс при двойном запасе несущей способности и прочности.
Так что такое висячая свая
Многие считают, что свая — это такой аналог «ног»: здание опирается на свайные «конечности» как человек – на ноги. Такое сравнение отчасти справедливо. В случае со сваей-стойкой опора идет на конец конструкции. Ее даже называют анатомически и ласково — «пята». Для простых случаев работы пяты достаточно.
В Петербурге сваи часто имеют длину не более 20 метров. Их упирают пятой в слой морены, представляющий собой скопление обломков горных пород. Получается хорошо – и свая плотно уперлась, и валуны разбуривать и извлекать не нужно.
Свая становится висячей, когда основная несущая способность обеспечивается не пятой, а боками за счет того, что между боковой поверхностью свай и грунтом возникает трение. У «Лахта центра» 85 % несущей нагрузки обеспечено именно боковыми поверхностями свай.
Схема передачи нагрузки сваями на грунты основания. Источник
Что надежнее – стойка или висячая свая?
Большинство уникальных зданий с фундаментами глубокого заложения стоит на висячих сваях. Можете держать пари – если перед вами небоскреб и нескальный грунт – вероятность висячих свай приближена к 100%.
Но это не значит, что сваи-стойки ненадёжны. Тип свай определяется характеристиками здания и грунта. Каждый тип хорош на своем месте.
Итоговые параметры
По результатам расчетов минимальная осадка составит 84,8 мм, максимальная – 121,9 мм за весь период. О равномерности можно судить по следующей цифре — крен фундамента с учетом ветровой нагрузки — 0,00016. Шестнадцать стотысячных — такое не всякой техникой зафиксируешь.
— В следующем посте читайте об изготовлении свай для «Лахта центра»: как не потерять направление при бурении? Что делать с валунами? Где и зачем поставили датчики в сваях? Как проводили съемки на глубине 82 метра и что там снимать?
В.М. Лукин – руководитель проекта по железобетонным конструкциям «Лахта центра», к.т.н.
- лахта центр; грунт; сваи
