Фундаменты самых высоких небоскребов

Фундаменты высотных зданий

Высотные здания строятся уже почти сто лет, однако в мире до сих пор нет их единой чёткой классификации. Если в Нью-Йорке, Токио или Шанхае небоскрёбы возводятся по чисто экономическим причинам (слишком дорогая земля), то в Европе, России или Арабских Эмиратах причины немного другие — тут на первый план выходят личные амбиции или вопрос политического престижа. Можно провести аналогию со знаменитыми сталинскими высотками, самая известная из которых — главное здание МГУ с высотой шпиля 239 метров — почти полвека была самым высоким зданием Европы и попала в книгу рекордов Гиннеса.

Так или иначе, по прогнозам, несколько десятилетий спустя проблема нехватки городского пространства затронет все крупнейшие мегаполисы. Нет ничего удивительного в том, что в центре российской столицы активно застраивается район Москва-Сити, в котором на сегодня возведено уже 20 зданий, чья высота превышает 200 метров. Здания, которые по российской классификации относятся к первой категории ответственности (выше 100 метров) уже есть в Екатеринбурге, Ханты-Мансийске, Новосибирске, Грозном. А в Санкт-Петербурге, невзирая на крайне сложный характер грунтов, возводится грандиозный Охта-центр с расчётной высотой 463 метра. Это здание после окончания строительства сразу на 135 метров превзойдёт московский «Меркурий Сити Тауэр» — самое высокое на сегодня многофункциональное здание в Европе.

Строительство высотных зданий сопряжено со множеством проблем. Но если безопасность надземной части зданий связана с качеством материалов и человеческим фактором, то подземная их часть подвергается гораздо большему числу рисков. Просчитать и предвидеть их все не способен самый мощный терабайтовый компьютер. Поэтому проектирование фундаментов высотных зданий является, пожалуй, самым сложным и ответственным моментом в процессе строительства. От успешного проведения начального этапа работ зависит вся дальнейшая судьба небоскрёба и зданий, расположенных по соседству.

Как выбирают тип фундамента высотного здания

Какие нюансы нужно учитывать при проектировании фундамента высотного здания? Прежде всего, конечно, его высоту и конструктивные особенности. Дом может быть одиночной башней или целой группой зданий разной этажности, объединённых общим стилобатом. Ещё римский архитектор Витрувий две тысячи лет назад заповедовал придерживаться пирамидальной формы высоких зданий.

Естественно, чем выше здание, тем сильнее оно давит на основание фундамента. Общая вертикальная нагрузка может достигать астрономических значений.

Важность геологических изысканий

Такое давление способен выдержать далеко не всякий грунт. Инженерно-геологические изыскания — одно из важнейших подготовительных действий при подготовке проекта строительства высотных зданий. Участок под застройку подвергается ультразвуковому сканированию, в земле пробуриваются скважины глубиной до 100 метров. На разных отметках забираются пробы грунта для определения их состава. Общее правило — чем плотнее и твёрже грунт, тем лучше. Идеальный вариант — устройство фундамента высотного здания в скальном грунте. Плотная порода будет помогать элементам фундамента справляться с вертикальными и горизонтальными нагрузками.

В целом строительство высотных зданий возможно на разных грунтах, от пластичных глинистых до скальных. Однако для каждого вида грунтовых условий необходимо подобрать свой тип фундамента.

Величина вертикальной нагрузки на основание и характеристики грунта — два основных фактора, влияющие на выбор типа фундамента высотного здания. Однако тщательному учёту подвергаются и другие факторы:

• наличие сейсмической активности или напряжений пород природного и техногенного происхождения в регионе строительства;
• присутствие источников грунтовых вод, подземных рек, плывунов, карстовых пустот и других подземных аномалий;
• расположение крупных объектов капитального строительства по соседству;
• проходящие в непосредственной близости транспортные коммуникации, тоннели метро, газо- и водопроводы и другие объекты, которые могут либо повлиять на целостность фундамента, либо пострадать в результате неизбежной усадки грунта;
• климатические факторы — прежде всего сезонные перепады температур, частота гроз и скорость ветра. Его сильные порывы на высоте 300–400 метров, равно как и термическое расширение материалов, а также удары молний могут вызвать весьма ощутимые разовые нагрузки на всю конструкцию здания, в том числе на фундамент.

Типы фундаментов

Проведя всесторонний компьютерный анализ данных инженерных и геологических изысканий, авторы проекта могут выбирать тип фундамента высотного здания. Вот его основные типы:

• Фундамент на естественном основании.
• Свайно-плитный фундамент (СПФ).
• Свайные фундаменты глубокого заложения.

Последний тип фундаментов может устраиваться с выемкой грунта и без неё. В первом случае применяются забивные или вдавливаемые сваи. Во втором — буровые сваи, опускные колодцы-кессоны и полые сваи из стальных труб.

Плитные фундаменты

Фундамент на естественном основании (без забивки свай) подходит для строительства сравнительно невысоких зданий (до 75 м), относящихся ко второй категории ответственности. Как правило, фундамент представлен монолитной железобетонной плитой толщиной от 1 до 2,5 метра. В отдельных случаях, когда отсутствуют или маловероятны риски смещения грунта, возможно применение традиционных ленточных и столбчатых фундаментов. Однако плитный фундамент всё равно считается более предпочтительным. Его применяют и при возведении зданий первой категории ответственности (высотой до 100–120 метров). В местах максимальных нагрузок плита снабжается рёбрами жёсткости. Как правило, это области расположения колонн и пилонов.

Данный вид фундамента применён в сталинских высотках. Там горизонтальная основная плита имеет коробчатое вертикальное усиление по периметру. Такая конструкция за шесть десятков лет вполне доказала свою надёжность, учитывая, что высота семи московских небоскрёбов эпохи СССР превышает 200 метров.

Свайные фундаменты

Современные проектировщики склоняются, однако, к более универсальным свайным или комбинированным конструкциям, предоставляющим возможность строить высотные здания на разных типах грунтов.

При строительстве зданий высотой до 200 метров применяются забивные и задавливаемые сваи сечением 300 x 300 и 350 x 350 мм.

При большей высоте зданий обычно под будущим зданием выкапывается котлован, глубина которого зависит от количества помещений, расположенных по проекту под землёй. В этом случае стены котлована подвергаются дополнительному усилению железобетоном, которое защищает фундамент от горизонтальных нагрузок. Фундаменты глубокого заложения предусматривают применение бетонных и стальных свай диаметром до 2 метров и длиной до 83 метров. Именно такие сваи были применены при строительстве Охта-центра на болотистых грунтах Васильевского острова.

При проходке сверхплотных и скальных грунтов применяются опускные колодцы, которые при достижении необходимой глубины заливаются бетоном, становясь обсадной трубой. Именно такую технологию применяют при строительстве сверхвысоких зданий в ОАЭ и Саудовской Аравии, где под относительно неглубоким слоем песка таятся труднопроходимые скальные породы.

Если в зоне строительства присутствуют подземные воды, используются колодцы-кессоны. Вода выдавливается из них при помощи сжатого воздуха.

Комбинированные фундаменты

Комбинированные свайно-плитные фундаменты являются наиболее сложными в плане монтажа, однако позволяют обеспечить устойчивость высотного здания в условиях разнородных грунтов. Примером может опять-таки служить здание Охта-центра в Северной столице.

Суть технологии состоит в том, что оголовки свай привариваются на дне котлована к балкам бетонного ростверка. В Санкт-Петербурге он двуслойный. Нижняя плита, соединённая со сваями, служит опорой для верхней плиты, служащей непосредственной опорой задания. В результате уменьшается давящий и изгибающий момент в отношений оголовков свай. Кстати, такая же схема применена при устройстве фундаментов ряда высоток Москва-Сити.

Теория и практика

Из-за недостатка практического опыта устройства СПФ высотных зданий данная область пока не отражена в ГОСТах и СНиПах. Строители-практики выработали следующие правила:

• несколько свай большой длины всегда лучше большого количества свай коротких. Чем дальше от края фундамента, тем короче должна быть свая;
• максимальные нагрузки на сваи идут по углам и вообще по периметру здания;
• грунт под плитой должен быть переуплотнён — для этого при разработке котлована производится недобор одного–двух метров грунта, а при устройстве свай делается предварительная скважина на 10 % уже диаметра сваи. Когда свая и плита встают на место, грунт принудительно уплотняется.

Учитывая уникальность высотных зданий первой категории ответственности и несовершенство существующей нормативной базы, при строительстве высотных зданий рекомендуется вести постоянный мониторинг состояния грунтов, свай, ростверка и ограждающих бетонных конструкций.

На что следует обратить внимание при устройстве фундамента

Не следует забывать, что существуют первичная и вторичная усадка грунта. Причём после того, как на фундамент начнёт давить вся тяжесть двухсотметровой высотки, деформация грунта может принять критические значения.

При устройстве свайных и комбинированных фундаментов следует обязательно определять области максимальной вертикальной нагрузки. Это места соприкосновения с фундаментом несущих стен, колонн и пилонов. Если в здании присутствует стилобат, места максимальных нагрузок следует выявлять особенно тщательно.

Поиск новых путей

Помимо классических, прошедших проверку временем фундаментов с вертикальными сваями, появились смелые проекты, предусматривающие диагональное расположение свай. Так, изобретатель Амир Сафин запатентовал проект, в котором свайный фундамент представляет собой горизонтальный ростверк, от которого под разными углами вниз отходят залитые бетоном полые металлические сваи, образующие под землёй гиперболоид вращения (нечто вроде песочных часов). Насколько жизнеспособна такая технология, должно показать время.

На сегодня в мире наиболее распространена технология устройства свайного или свайно-плитного фундамента глубокого заложения с выемкой грунта и монтажом заграждения по периметру («стена в грунте»). Она обеспечивает максимальную устойчивость конструкции и надёжную гидроизоляцию цоколя и подземных помещений и фундамента в целом.

Выбор типа фундамента — один из самых главных пунктов в создании рабочего проекта, если вы заказываете проектирование дома. Инженеры компании ООО «Оклэнд» имеет большой опыт в гражданском и промышленном строительстве. С нами вы можете быть уверены, что ваш дом вашей мечты простоит десятилетия.

Источник

Фундаменты небоскрёбов: на чём стоят высочайшие здания мира

15 февраля завершился очередной этап строительства многофункционального комплекса «Лахта центр» в Приморском районе Петербурга. Строители закончили бетонирование плитного ростверка фундамента будущего здания с атриумом, которое прилегает к небоскребу. Именно в этом здании планируется расположить большинство социальных объектов комплекса: детский образовательный центр «Мир науки», многофункциональный зал-трансформер, спортивный и медицинский центр, планетарий и многое другое.

Создание фундамента самого небоскрёба «Лахта центра» ещё впереди, однако недооценивать важность заливки основания прилегающих зданий не стоит недооценивать. Прежде всего, это отработка сложнейшей технологии непрерывного бетонирования, которая потом будет использована в процессе создания коробчатого фундамента основной башни.

Разработка конструкции и возведение фундамента, идеально адаптированного к особенностям грунта и климата – жизненно важный этап в строительстве любого небоскрёба. Не будет преувеличением сказать, что фундамент каждого небоскрёба уникален. Показательно в этом вопросе самое высокое на данный момент здание планеты – «Бурдж Халифа». Фундамент этой башни вообще не закреплён в скальном грунте: при его строительстве использовалось около 200 так называемых «висячих» свай длиной 45 м и диаметром 1,5 м. В конструкции «висячих» свай нагрузка от здания передается верхним слоям грунта через плиту, а нижним — через трение поверхностей сваи и грунта. Для того чтобы чрезвычайно жаркий климат Арабских Эмиратов не повлиял на прочность небоскрёба, специально для «Бурдж Халифа» была разработана особая марка бетона, который выдерживает до 50 градусов по Цельсию. При этом укладывали бетон ночью, а в раствор добавляли лёд.

Особенности грунта, на котором построен «Бурдж Халиф», также требовали применения уникальных технологий. Строителям пришлось бурить скважины на глубину 50 м, что является практически пределом возможностей вращательного бура в данном месте. Однако главные трудности начались после того, как бур был извлечён из скважины. Порода под небоскрёбом «Бурдж Халифа» чрезвычайно хрупка и насыщена грунтовыми водами, так что любая крупная скважина сразу начинает обваливаться. Решением проблемы стала вязкая полимерная смола, которая вытесняла воду и обломки породы к краям, оставляя центр скважины свободным. Этот сиропообразный полимер плотнее воды, но легче бетона. В свою очередь, заливаемый бетон вытеснял смолу и, застывая, образовывал сваи фундамента. Доказательством эффективности такой технологии стал тот факт, что за время строительства здание «Бурдж Халифа» осело всего на 30 мм, что ничтожно мало для сооружения таких размеров.

Впрочем, несмотря на уникальные особенности, фундаменты небоскрёбов можно разделить на три основных типа: плитные, свайные и комбинированные плитно-свайные. Первый тип представляет собой сплошную плиту толщиной до пяти метров или железобетонную «коробку». Применяется он, к примеру, на площадках с плотным глинистым грунтом, таким, как в Чикаго или Москве. В этом случае монолитная бетонная плита как бы «плавает» в грунте.

Основа фундамента второго типа – сваи длиной до 30–40 метров и диаметром до 6 метров. Такой фундамент используется на слабых грунтах. Комбинированный вариант совмещает достоинства обоих типов. Так, например, фундамент корейского супернебоскрёба Lotte Jamsil Super Tower состоит из 6,5-метровой плиты, опирающейся на грунтовый массив, укрепленный бетонными сваями.

Для того чтобы предохранить гигантские здания от падения, часто используют специальные системы. Это особенно актуально в районах с высокой сейсмической активностью: например, в Японии, где часто бывают землетрясения, или в Сан-Франциско, который стоит на краю тектонической плиты. Разумеется, строительству любого небоскрёба всегда предшествует тщательнейшее геологическое исследование.

Заливка бетонной плиты в основание небоскрёба – процесс не менее сложный, чем разработка конструкции и установка свай, и точно так же требует индивидуального подхода. Объёмы бетона, с которыми при этом приходится работать строителям, колоссальны. До сих пор рекордсменом в этой области был небоскрёб The New Wilshire Grand Tower – весной 2014 года его строители произвели непрерывную заливку 38 220 т бетона в его основание. Объём залитого бетона составил 16 210 кубических метров. Строители «Лахта центра» могут установить новый мировой рекорд и произвести непрерывную заливку более 20 000 кубометров бетона в основание здания. Бетон будут заливать в течение более чем 60 часов, без перерывов.

Работы по бетонированию плитного ростверка здания, прилегающего к небоскрёбу «Лахта центра», проходили в восемь этапов, с 12 декабря по 15 февраля. Бетонная смесь доставлялась автомиксерами с десяти заводов Петербурга. Одновременно на стройплощадке находилось более 50 автомиксеров-бетоновозов, каждый из них проходил тщательный контроль качества в принимающей лаборатории. Интересно отметить, что основные работы проводились по выходным, чтобы не создавать дополнительной нагрузки на петербургские автомагистрали.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник