Фундаменты многоэтажных гражданских зданий

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 гражданских зданий

Основание — массив грунта, расположенный под подошвой фундамента и воспринимающий нагрузку от вышележащих конструкций здания. Основание может быть естественным или искусственно улучшенным.

Основные элементы фундамента, отметки и линейные размеры приведены на рис. 2.8. Необходимо помнить, что расстояние от планировочной отметки до подошвы фундамента называется глубиной заложения фундамента. При устройстве фундаментов под наружные стены в грунтах, склонных к морозному пучению (песках мелких и пылеватых, супесях, суглинках и глинах), глубина заложения фундамента должна быть больше расчетной глубины промерзания грунта. Нормативную глубину промерзания грунтов можно оценить по специальной карте или СНиП 23-01-99 «Строительная климатология и геофизика».

Различают фундаменты мелкого заложения, сооружаемые в открытых котлованах, и глубокого заложения, к которым относятся, прежде всего, свайные фундаменты. По конструктивной схеме фундаменты бывают ленточные, столбчатые и сплошные.

Ленточные фундаменты устраивают под стенами зданий. Наиболее простым вариантом служат ленточные фундаменты из монолитного бетона, бутобетона или бутовой кладки (рис 2.9). Угол развития фундамента принимается равным около 30°, ширина уступа — 20-25 см, высота уступа -40-45 см. При возведении фундаментов применяют щебень, гальку или бут горных пород с прочностью на сжатие не менее 7,5 МПа, а в качестве вяжущего

в основном, используют портландцемент. Основным недостатком этого фундамента является его неиндустриальность. Этого недостатка лишен сборный фундамент, состоящий из бетонных фундаментных блоков и железобетонных фундаментных подушек (рис. 2.10). Ширина крупных бетонных блоков 30,40, 50, 60 см, высота 28 или 58 см, длина от 0,8 до 2,4 м. Блоки укладываются на цементном растворе с обязательной перевязкой вертикальных швов, толщина которых составляет 20 мм. Железобетонные фундаментные подушки имеют высоту 30 или 50 см, ширину от 0,6 до 3,2 м и длину до 3,0 м. Для обеспечения равномерности контакта с грунтом под подошвой плиты устраивают песчаную или бетонную подготовку. По обрезу фундаментов устраивают гидроизоляционный слой для предотвращения подпитки капиллярной влаги из грунта; боковые поверхности фундамента, соприкасающиеся с грунтом, обмазывают горячим битумом.

Столбчатые (отдельные) фундаменты устраивают под колоннами в каркасных зданиях. Они могут быть сборными или монолитными (рис. 2.31). Сборные фундаменты под железобетонные колонны могут состоять из одного блока-стакана или блока-стакана и фундаментной плиты под ним. При небольших нагрузках на фундаменты в малоэтажных зданиях и при прочных грунтах ленточные фундаменты заменяют столбчатыми. Столбы выполняют бетонными или бутобетонными сечением в плане 0,4×0,4 — 0,6×0,6 м. Расстояния между осями фундаментных столбов 2,5 -3.0 м, кроме того их устраивают по углам здания и в местах пересечения продольных и поперечных стен. Поверху столбов укладывают фундаментную балку, на которой возводится стена здания.

Сплошные фундаменты устраиваются в слабых грунтах при значительных нагрузках. Эти фундаменты устраивают под всей площадью здания (рис. 2.12). Для выравнивания неравномерных осадок, от действующих через колонны нагрузок, в каркасных зданиях в двух взаимно перпендикулярных направлениях применяют перекрестные ленточные фундаменты. Их обычно выполняют из монолитного железобетона. Если балки достигают значительной ширины, то они объединяются в сплошную ребристую или без балочную плиту. При сплошных фундаментах обеспечивается равномерная осадка здания, малое давление на грунт, что особенно важно для высотных зданий и тяжелых сооружений.

Свайные фундаменты устраивают в том случае, когда верхние слои грунта имеют малую прочность, уровень подземных вод залегает близко к поверхности грунта и на фундамент передаются значительные нагрузки.

В зависимости от характера передачи нагрузки от сваи на грунт различают сваи-стойки, опирающиеся нижним концом на прочный, практически несжимаемый грунт, и висячие сваи (сваи трения), которые со всех сторон окружены сжимаемым грунтом (рис. 2.13),

По способу погружения в грунт сваи бывают забивные и набивные. Для материалу изготовления забивные сваи бывают железобетонные, металлические и деревянные. Набивные сваи изготавливают непосредственно на строительной площадке в грунте.

Наибольшее распространение в промышленном и гражданском строительстве получили забивные железобетонные сваи квадратного сечения размером от 250×250 мм до 400×400 мм длиной от 3 до 20 м. При устройстве свайных фундаментов под стенами зданий сваи размешают в один, два ряда или в шахматном порядке. Расстояние между осями висячих свай принимается равным Зс, где с — сторона поперечного сечения сваи или ее диаметр (рис. 2.14). В обязательном порядке сваи забивают в углах здания и в местах пересечения продольных и поперечных стен. Под колоннами зданий забивают куст свай, который обычно содержит от трех до шести свай. Для передачи нагрузки на сваи и обеспечения их совместной работы сваи объединяют железобетонным ростверком, который может быть монолитным или сборным (рис. 2.14).

Источник