Свайно плитный фундамент под высотное здание

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

Свайно-плитный фундамент высотного здания

Полезная модель направлена на сокращение материалоемкости и трудоемкости сооружения свайно-плитного фундамента под высотное здание за счет повышения несущей способности. Свайно-плитный фундамент высотного здания, включает фундаментную плиту и свайное поле. Свайное поле образовано буронабивными или забивными сваями одной длины с распределением их по всей площади котлована. Сваи центральной зоны котлована обжаты в продольном направлении домкратами установленными на оголовках свай под фундаментной плитой с усилием равным 0,8-1,0 расчетной нагрузки на сваю. Предварительное обжатие свай дает возможность выравнивать коэффициент жесткости между сваями центральной и периферийной зон фундаментной плиты. 2 илл.

Полезная модель относится к области строительства, а именно к конструкциям плитно-свайных фундаментов для высотных зданий.

Известен свайно-плитный фундамент, включающий, свайное поле по дну котлована и фундаментную плиту. Для повышения несущей способности фундамента междусвайное пространство уплотнено путем инъектирования в грунт твердеющего раствора /Патент РФ 2275470, кл. E02D 27/34, публ. 27.04.2006 г./.

Наиболее близким является свайно-плитный фундамент, включающий свайное поле из свай разной длины и фундаментную плиту. Возведение свай производят путем погружения центральных свай на расчетную глубину, а периферийные выше в соответствии с рельефом котлована /Патент РФ 2345195, кл. E02D 27/12, публ. 27.01.2009 г./

Недостатками известных конструкций фундамента являются и значительная материалоемкость свайного поля, и трудоемкость его возведения из-за недоиспользования несущей способности свай центральной зоны свайного поля.

Техническая задача заключается в снижении трудоемкости и материалоемкости плитно-свайного фундамента под высотное здание.

Поставленная задача решается таким образом, что в свайно-плитном фундаменте высотного здания, включающем фундаментную плиту и свайное поле, согласно полезной модели, свайное поле образовано буронабивными или забивными сваями одной длины с распределением их по всей площади котлована, при этом, сваи центральной зоны котлована обжаты в продольном направлении домкратами, установленными на оголовках свай под фундаментной плитой, с усилием равным 0,8-1,0 расчетной нагрузки на сваю, с возможностью выравнивания коэффициента жесткости между сваями центральной и периферийной зон фундаментной плиты.

Предлагаемая конструкция отличается от известной тем, что свайное поле образовано буронабивными или забивными сваями одной длины с распределением их по всей площади котлована, при этом сваи центральной зоны котлована обжаты в продольном направлении домкратами установленными на оголовках свай под фундаментной плитой с усилием равным 0,8-1,0 расчетной нагрузки на сваю, с возможностью выравнивания коэффициента жесткости между сваями центральной и периферийной зон фундаментной плиты.

Известно, что при устройстве свайного поля периферийные ряды свай воспринимают нагрузку в 2 раза, а угловые в 3 раза превышающую среднюю нагрузку на сваи фундамента. Поэтому периферийные сваи проектируются большим диаметром с усиленным армированием или сваи центральной зоны проектируются большей длины, чем периферийные, что приводит к повышению материалоемкости.

Параметры усилия воздействия на сваю центральной зоны от домкратов выбраны из условия, что при воздействии на сваю с усилием более расчетной нагрузки может наблюдаться появление трещин, а менее 0,8 — не приводит к оптимальному уплотнению грунта межсвайного пространства в центральной зоне.

Техническим результатом является обеспечение равномерного распределения нагрузки между сваями, снижение материалоемкости фундамента и трудоемкости его возведения за счет выравнивания коэффициента жесткости свай центральной и периферийной зон свайного поля.

На фиг. 1 представлен свайно-плитный фундамент высотного здания, фиг. 2 — -A фиг. 1.

Фундамент состоит из свайного поля, образованного из погруженных в грунт буронабивных или забивных свай 1, и фундаментной железобетонной плиты 2. Между оголовками свай 1 центральной зоны и фундаментной плитой 2 размещены домкраты 3.

Свайно-плитный фундамент устраивают следующим образом.

Выполняют буронабивные сваи или погружают в грунт забивные сваи одинаковой расчетной длины, образуя свайное поле по всей площади котлована. На сваи центральной зоны свайного поля между оголовком сваи и железобетонной плитой устанавливают домкраты. После устройства фундамента на сваи центральной зоны поочередно воздействуют нагрузкой равной 0,8-1,0 расчетной нагрузки на сваю в продольном направлении до условной стабилизации осадки с последующим снятием нагрузки. Обжатие свай в продольном направлении обеспечивает выравнивание коэффициента жесткости между сваями центральной и периферийной зон свайного поля и уменьшение прогиба фундаментной плиты. За счет перераспределения нагрузки между сваями в результате выравнивания коэффициента жесткости от нагрузки высотного здания повышается несущая способность фундамента и появляется возможность уменьшить габариты свай и сократить их количество.

Возводят фундамент под 35-этажное здание каркасно-ствольной конструктивной схемы с повышенными требованиями по ограничению величины прогиба фундамента. Фундамент здания — сплошная плита на свайном основании из буронабивных свай диаметром 800 мм, длиной 30 м. Грунтовое основание представлено однородными песчаными грунтами. Расчетная нагрузка на сваю составляет 500 Тс.

Для уменьшения величины прогиба фундамента и перераспределения коэффициента жесткости между сваями в центральной зоне свайного поля, поочередно предварительно нагружают, а затем снимают нагрузку после условной стабилизации осадки с использованием установленных на оголовках свай домкратов, усилием равным 450-500 Тс.

В результате происходит повышение жесткости свай центральной зоны, что приводит к снижению прогиба фундаментной плиты на величмну до 30% и сокращению количества свай в центральной зоне.

Свайно-плитный фундамент высотного здания, включающий фундаментную плиту и свайное поле, отличающийся тем, что свайное поле образовано буронабивными или забивными сваями одной длины с распределением их по всей площади котлована, при этом сваи центральной зоны котлована обжаты в продольном направлении домкратами, установленными на оголовках свай под фундаментной плитой, с усилием, равным 0,8-1,0 расчетной нагрузки на сваю, с возможностью выравнивания коэффициента жесткости между сваями центральной и периферийной зон фундаментной плиты.

Источник