ОСНОВА ОСНОВ: ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ. ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ ЗА РУБЕЖОМ
Уже появились первые небоскребы, но они настораживают своей технической реализацией. Почему-то хотят построить кирпичный дом при его высоте более 75 м. Согласно СниП, проектирование таких домов должно вестись по техническим условиям, согласованным с Госстроем, или по специально разработанным региональным нормативам (ТСН). В Москве в 2000 г. такой норматив разработан – это «Технические требования по проектированию жилых зданий высотой более 75 м». В Петербурге грунты намного сложнее, и, несомненно, подобные нормативы жизненно необходимы. Тем более, что наши жители наслышаны о том, что первые высокие дома, в частности д. 3 по Шипкинскому переулку, получили наклон более 70 см. Это настораживает потенциальных покупателей квартир в высоких домах. Чтобы снять напряжение, могу сообщить, что весь мир благополучно строит высотные здания на любых самых сложных грунтах. Уж больно дорога земля в крупных городах мира. Реализация таких строений, по мнению современного идеолога высотного строительства проф. Катценбаха (Германия), зиждется на трех китах: архитектор, конструктор, геотехник. Такое творческое содружество – гарантия успеха в этом выгодном и интересном деле. И это обязательно для любого Российского города – от Смоленска до Владивостока. В современном строительстве, с точки зрения специалистов, преобладают следующие тенденции: • максимальное использование пятна застройки с соответствующей реализацией надземных и подземных объемов; • строительство в сложных инженерно-геологических условиях и в условиях уплотнения городской застройки. Здесь встречается определенное противоречие в связи с тем, что реализация первой тенденции несомненно связана с возведением высотных зданий с развитой подземной частью. Вторая тенденция сложилась в силу того обстоятельства, что наиболее благоприятные для застройки земли к концу XX в. уже заняты для нужд городов. Свободные для застройки участки городов, как правило, имеют неблагоприятные инженерно-геологические условия. Часто застройка новыми зданиями повышенной этажности происходит на месте снесенных, потерявших ценность строений, либо новое здание почти вплотную примыкает к ценным для города историческим памятникам. И в тех и в других условиях осложняются архитектурные, конструктивные, а также геотехнические аспекты. В данной статье рассматриваются в основном геотехнические аспекты и косвенно – конструктивные, хотя они связаны между собой. При этом современные способы расчета все более переходят к системе совместных расчетов грунтов основания с фундаментами и надземными конструкциями. Совместные расчеты позволяют оптимизировать конструкции фундаментов и основные несущие конструкции зданий независимо от их этажности и степени загрузки фундаментов. При этом максимально реализуются прочностные и деформационные резервы грунта. В ряде стран сложилась интересная, но дискуссионная система застройки территорий. Высотные здания возводятся на участках, где близко залегают малосжимаемые грунты либо горные породы. На участках, где отмечались большие толщи слабых грунтов, в том числе заторфованных, возводились одно-, двухэтажные коттеджи. Так формировалась застройка новых пригородов столиц Скандинавских стран. Естественно, это входило в противоречие с требованиями архитекторов, которые должны обеспечить современный облик новых городов и транспортных развязок вне зависимости от грунтовых условий осваиваемой территории. В крупных исторических городах мира высотное строительство концентрировалось в местах финансово-деловой активности. Такого рода районы высотной застройки сложились более ста лет назад в Нью-Йорке. Успеху этого строительства способствовали благоприятные инженерно-геологические условия района застройки небоскребами, где в ряде мест скальные грунты выходят на поверхность. Буквально несколько слов скажу о двух зданиях Всемирного торгового центра в Нью-Йорке, разрушенных в результате трагедии 11 сентября 2002 г. однако в ракурсе фундаментов. На февраль этого года paботы по усилению оставшихся после известного теракта фундаментов завершены. В ряде мест они обетонированы железобетонными банкетами (обоймами), ширина которых колеблется от 0,7 до 2,5 м. Новый проект Даниэля Либекинда реализуется на существующих фундаментах группой высотных зданий со скошенными крышами, главное из которых будет высотой 541 метр! Это будет самое высокое здание мира. Второе по значимости и высоте – финансовый центр в Шанхае (500 м), и схожее с ним здание в Куала-Лумпуре (Малайзия), которое в отличие от двух первых уже возведено (452 м). Банково-финансовые и международные центры созданы в виде группы небоскребов в крупных городах Америки, Европы, а также Азии и Австралии. Необходимо учесть особенность имеющихся и строящихся небоскребов в Азии. Они обязаны своим рождением интеллекту архитекторов и конструкторов Японии, Европы и Америки. Работы нулевого цикла в Малайзии (при строительстве самого высокого на сегодня здания в этой стране в большей части выполнены фирмой «Салетанш — Баши» (Soletanche Bachy)). Что здесь может заинтересовать российских геотехников? Несомненно, это аспекты, связанные с особенностями самого строительства, а также проектирования и предпроектной подготовки. Учитывая многообразие особенностей строительства (климатические, геологические, включая сейсмические), я считаю наиболее рациональным остановиться на близких нам по многим параметрам условиях строительства высотных домов во Франкфурте-на-Майне (в этом городе находится самый высокий дом Европы – Коммерцбанк II — 302 м) и новых высотных домов в Берлине. При этом надо учесть, что геотехническое сопровождение на всех этапах осуществлялось группой специалистов из Института геотехники при Технической высшей школе в г. Дармштадт. С ведущими специалистами этого крупного института Германии проф. Катценбахом и Квиком мы поддерживаем многолетнюю связь. В этом институте находится центральный пульт, на котором фиксируются все данные по напряженному состоянию небоскребов Франкфурта. Характерные напластования грунтов Франкфурта следующие. Толща пылевато-глинистых грунтов с глубины от 25 до 60 м подстилается известняками, которые при использовании свай являются относительно прочным основанием для зданий любой этажности. Но здесь при строительстве самого высокого здания Европы осадки 302-метровой башни Коммерцбанка I были очень малы. По требованиям служб эксплуатации соседних зданий (существующее 100-метровое здание Коммерцбанка I и старые здания, охраняемые городом как исторические), осадки нового небоскреба не должны были превышать 2,4 см, чтобы дополнительные осадки фундаментов уже эксплуатируемых зданий не превысили 1,0 см. В противном случае, как написано в регламенте, «компьютеры в существующих зданиях могут получить опасные для финансовой системы Франкфуртской биржи сбои». Рассмотрим несколько интересных моментов застройки финансовой столицы Европы – города Франкфурта-на-Майне. Панорама города для меня как геотехника очень впечатляющая. Здесь, конечно, бушевали дискуссии о необходимости застройки города сверхвысокими зданиями. Но огромная стоимость 1 кв. м городской территории диктовала только один правильный путь: вверх (организация строительства высотных зданий) и вниз (организация развитой транспортной инфраструктуры), что и было реализовано к концу прошлого столетия. Здесь построено несколько башен с различными условиями фундирования. Так, старое здание Коммерцбанка I было построено на мощной плите непосредственно на франкфуртских глинах (небоскребы первого поколения строились на плитах толщиной 2-4 м). В результате к моменту стабилизации максимальная абсолютная осадка его достигла 22 см. Осадки развивались равномерно. В силу этого владельцы Коммерцбанка при проектировании нового здания банка опасались дополнительных неравномерных осадок. Но добиться столь малой осадки стоило больших трудов. Фундаменты были решены в виде буронабивных свай переменным диаметром (телескопических) диаметром 1,8 и 1,5 м. Они прорезали франкфуртские глины и входили в известняки. Численно моделировался вариант фундамента на естественном основании с защитой существующего 100–метрового здания сплошной шпунтовой стенкой. Но возможные перемещения с учетом изменения водного режима оказались опасными для работы банка да и для устойчивости нового высотного здания в целом. Какие интересные геотехнические аспекты можно здесь отметить на всех этапах, начиная от предпроектной подготовки и заканчивая мониторингом, причем очень объемным в период эксплуатации здания? Площадка, где велись работы по устройству буронабивных, размещалась таким образом, что не закрывала ни одного транспортного проезда. Сваи изготавливались с учетом 8,5 м подземного объема. Их длина составляла от 37,6 до 45,6 м. Всего было изготовлено 111 телескопических свай, которые воспринимали общую нагрузку Q = 1770 МН. Интересна расстановка свай, которые концентрировались по краям свайного ростверка. В сваях были установлены датчики, на площадке было установлено множество инклинометров, датчиков давления в порах воды и пр. Размеры и стоимость свайного фундамента, а также характер расстановки были определены при помощи 3-мерных расчетов методом конечных элементов с использованием упругопластических моделей грунта. Свайное поле было запроектировано с общим коэффициентом надежности = 2 при расчетной осадке 2 см. К концу 2002 г. запроектированный фундамент отвечал всем основным геотехническим прогнозам. Но как добиться столь малой осадки на трещиноватых известняках? Геотехники Москвы это хорошо знают: необходимо эти известняки проинъецировать, что и было сделано на глубину 10 м ниже конца свай. Интересен и сам Институт геотехники в Дармштадте. Это многоэтажный административный и учебный корпуса, 4 лабораторных 2-этажных корпуса. В настоящее время институт популизирует плитно-свайные фундаменты, и многие небоскребы стоят на них. Это очень выгодно, т. к. не надо делать длинные сваи. Здание Коммерцбанка II было возведено на традиционном свайном фундаменте. Все 111 буронабивных свай передают нагрузку от здания через франкфуртскую глину на жесткий скалистый известняк (Еглины = 1 МПА, Еизвестняка = 100 МПА). Как по расчету, так и по данным наблюдениям ростверк фактически не был включен в работу. Его участие в принципе было близко к 0. Существуют соответствующие графики, которые доказывают, что наиболее эффективно реализуется идея плитно-свайного фундамента, когда слои грунта не отличаются существенно по своей сжимаемости, а непосредственно под плитой залегает слой слабого грунта. Несущая способность плитно-свайного фундамента описывается коэффициентом работы «свая-плита», который представляет собой отношение суммы нагрузок на сваи к полной нагрузке. В Германии есть большое количество публикаций по теоретическим и экспериментальным основам строительства на плитно-свайных фундаментах. В ноябре 2002 г. в Институте геотехники в крупномасштабных лотках модельного зала были заложены плитно-свайные фундаменты с измерениями всех возможных параметров на многослойном основании. Таким образом моделировались различные по сжимаемости слои. Теоретический расчетный анализ параметров плитно-свайного фундамента был выполнен заранее. Какие еще интересные для наших специалистов моменты можно отметить по этому уникальному, самому высокому зданию в Европе? Это здание-сад, где размещены тысячи растений, специально привезенных из Италии. Но вернемся к техническим аспектам. В процессе строительства проводились многочисленные научные исследования по несущей способности анкеров выдергиванием их из известняков. При этом использовались световолновые проводники. Выполнялись многочисленные рентгенографические исследования известняков, изучались характеристики сжимаемости. Рассматривались методы стабилизации и повышения прочности известняков несущего слоя. Фундаментная плита здесь имеет толщину от 2,5 до 4,5 м. Средняя нагрузка на сваю – 22 МН. Тысячи численных расчетов позволили оптимизировать систему расстановки свай. Проводились совместные расчеты системы: грунт – сваи – несущие конструкции. Расчет показал, что 98% нагрузки воспринимается сваями за счет трения по боковой поверхности и работы острия. Только 2% нагрузки воспринимает плита ростверка. Моделирование длины свай позволило равномерно распределить их загрузку. Сваи изготавливались в обсадной трубе. Известняки вынимались специальным грейфером после дробления долотом. Динамические воздействия минимизировались. Велось постоянное наблюдение в существующих зданиях по параметрам динамики, в том числе по датчикам, установленным в несущих конструкциях и в грунте. У 18 свай имелись трубки для проверки их сплошности, остальные постоянно проверялись. Бетон класса Б35 с замедленным временем действия (15 час.) подавали по трубам. На 30 сваях для оценки напряженного состояния по стволу были вмонтированы на 5 уровнях 2-метровые интегрально-измерительные элементы. На 15 сваях крепились датчики внизу, на 5 сваях измерительные 1,5-метровые коробки были установлены в голове свай. Под плитой подвала размещены 13 датчиков давления и 4 датчика поровой воды. Завидно, да и только. Сколько интереснейшей информации! Но это еще не все. 13 экстензометров установлено до глубины 95 м и по 5 инклинометров – до 47 м и до 70 м. Все данные собирались в измерительной станции в подвале и через дальнюю связь и по сегодняшний день передаются в Институт геотехники в Дармштадт. Пока существующих соседний блок (Коммерцбанк I) получил дополнительную осадку 0,3 см, или 55% ожидаемой осадки. Изучаются закономерности развития усилий по длине сваи и на остриe. Конечно, 300-метровый корпус здания банка имел уникальное решение. Многие небоскребы Франкфурта и Берлина возводились в последние годы на плитно-свайном фундаменте как наиболее экономичном по всем параметрам. К таким объектам можно отнести здание «Майн Мауэр» во Франкфурте, «Хаус Виршаут» в Оффенбахе (пригород Франкфурта). В первом сваи почти на 3,5 м не доходят до скальных известняков, что является дискуссионным решением для традиционной геотехники. К весьма интересным объектам можно отнести «Сони-центр» в Берлине. Здесь 2 подземных этажа были связаны с железнодорожным вокзалом «Потсдамер плац». Плитно-свайный фундамент выбран как основной вариант по целому ряду геотехнических и конструктивных параметров и в частности: • большие краевые давления 1200 кН/кв. м из-за эксцентриситета от нагрузки; • близость здания вокзала с развитой подземной частью; • мощная толща ледниковых отложений. Толща подвальной плиты – 1,5–2,5 м. Общее количество свай – 44 с длиной 15–25 м и диаметром 1,5 м. Осадки высотного здания составили 2,5 см (!). Как развивается строительство зданий повышенной этажности в России? В Санкт-Петербурге появились первые заказы на возведение домов высотой свыше 100 м. Башня «Петр Великий» высотой 130 м была спроектирована «ЛенНИИПроектом». Фундаменты под башню в виде сваи длиной 100 м определял Горный институт. Но это оказалось неосуществимо для имеющейся отечественной буровой техники. Сейчас в городах России проектируются дома высотой более 75 м. Эти сложные в геотехническом плане проекты должны несомненно иметь научное сопровождение, как это делается в практике зарубежного строительства всех домов повышенной этажности. Анализируя опыт геотехнического моделирования в университетах Европы и США, в частности в Институте геотехники Дормштадского университета, НИИОСП (Москва), ПГУПС (Петербург) и НПО «Геореконструкция» была разработана программа FEM — models для совместного расчета системы «основание – фундамент – надземная конструкция». Именно она может быть использована на следующих этапах проектирования зданий повышенной этажности: • предпроектные расчеты по оценке эффективности строительства высотного здания и его инвестиционной привлекательности; • расчеты в процессе проектирования; • моделирование любых сложных строительных и реконструкционных ситуаций. Появились первые наблюдения за поведением зданий, спроектированных с использованием FEM-models. Сделанный прогноз сопоставлялся с натурными наблюдениями. Большую сходимость с натурой показали тестовые задачи, т. е. с результатами наблюдений за уже опасно деформированными зданиями прошлых лет застройки. В заключение рассмотрим ряд основополагающих проблем, возникающих при реализации тенденций мировой строительной практики в России, в частности при строительстве высотных зданий. Эти проблемы можно разделить на три основные группы: организационные, научные, технологические и технические. 1. Организационные проблемы. Высотные здания по проектам прошлого века в виде телескопических башен, распластанных на огромной площади, вряд ли будут возводить в крупных городах России из-за высокой стоимости земли. Видимо, перспектива ближайших лет – это высотная застройка на небольших площадках в условиях плотной городской застройки, сохранность которой должна быть гарантирована. Здесь для геотехников важным аспектом может быть оценка инвестиционной привлекательности с учетом различной этажности и жесткости подземной части на основе первичной информации по геологии участка и по состоянию соседних зданий. Реальным инвестором в большинстве случаев будут выступать частные компании. Соответственно, инвестиционная политика будет направлена на сокращение предпроектных затрат. На этой стадии геотехниками должна быть предложена оптимальная программа инженерных изысканий, необходимых для получения исчерпывающей информации для проектирования. Инвестор должен планировать эти важные для успеха дела работы и оценивать их заранее. Инвестор еще на предпроектной стадии должен быть информирован о возможных затратах на конструкции нулевого цикла с оценкой положительной отдачи в виде новых подземных объемов. 2. Научные проблемы. Чтобы российская наука самостоятельно решала все геотехнические проблемы, необходима соответствующая подготовка специалистов и развитие экспериментальной базы. Какие недостатки на современном этапе можно отметить? Это фактически полное отсутствие централизованного финансирования на решение важнейших проблем геотехники. Уровень знаний выпускников высшей школы должен соответствовать уровню современных требований. Сегодня имеет право на существование только высокопрофессиональная геотехника интернационального уровня. Недостаточный уровень геотехники – запрограммированные аварийные ситуации. Это опасный путь, и он исключен. Какой путь развития геотехники и подготовки специалистов, соответствующих строительной отрасли, можно предложить? Думается, Госстрой России по предложению ведущих геотехников страны, объединенных РОМГиФ, мог бы выделить два десятка целевых грантов для решения этих важных для страны проблем. Совместными усилиями наиболее «продвинутых» научных школ они несомненно будут решены. Необходимо также повысить уровень подготовки специалистов по геотехнике. Необходимый уровень знаний по геотехнике невозможно приобрести за 32 часа лекций по основаниям и фундаментам даже в старейших вузах страны. Это меньше, чем сто лет назад в прежней России, и на порядок меньше, чем в ведущих университетах Европы. Единственный выход – это магистратуры и аспирантуры. 3. Технические проблемы. Создавать новую технологическую базу мне, геотехнику с 40-летним стажем, представляется неэффективным, т. к. фирмы в России на сегодня располагают самым совершенным оборудованием, к сожалению, – зарубежным. Производственные задачи любой геотехнической сложности, если в их основе лежат высокопрофессиональные расчеты, сегодня могут быть успешно решены. Это уже вселяет надежду.
По материалам сайта: http://stroyprofile.com