CC BY
141
10. Sagatov B.U. About transfer of effort through cracks in ferro-concrete elements // European science review, 2016. № 7-8. С. 220-221
11. Каракулов Х.М. и др. Изучение основных физических характеристик грунтов Джизакского региона // Молодой ученый, 2016. № 4. С. 46-48.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЙ Бузруков З.С. Email: [email protected]
Бузруков Закирё Саттиходжаевич - кандидат технических наук, доцент, кафедра строительства и архитектуры, Наманганский инженерно-строительный институт, г. Наманган, Республика Узбекистан
Аннотация: в данной работе излагаются особенности расчетов при строительстве фундаментов высотных зданий с учетом инженерно-геологических условий проектирования и мониторинга основных типов фундаментов высотных зданий: свайно-плитных и свайных фундаментов. В работе рекомендованы методы укрепления грунта с использованием технологии системы свай и особенностей инженерно-геологических условий, которые необходимо учитывать при проектировании высотных зданий. В том числе даны особые требования к проектированию и строительству фундаментов высотных зданий. Даются рекомендации по проектированию фундаментов высотных зданий. Ключевые слова: высотные здания, плитно-свайный, свая, фундамент, котлован, подземные воды.
FEATURES DESIGN OF THE FOUNDATIONS OF HIGH-RISE BUILDINGS TAKING INTO ACCOUNT SOIL CONDITIONS
Buzrukov Z.S.
Buzrukov Zakiryo Sattihodjayevich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, DEPARTMENT OF CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE, NAMANGAN ENGINEERING-CONSTRUCTION INSTITUTE, NAMANGAN, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: this work outlines the features of calculations and the construction of foundations of high-rise buildings, taking into account the engineering and geological conditions for the design and monitoring of the main types offoundations of high-rise buildings: pile-slab and pile foundations, including special requirements for the design and construction of foundations of high-rise buildings. This work recommends methods of strengthening the soil using the technology of the pile system and the features of engineering geologic conditions, which must be taken into account when designing high-rise buildings. Recommendations on the design of foundations of high-rise buildings are given.
Keywords: high-rise buildings, plate-pile, pile, foundation, foundation pit, groundwater.
УДК 692.115
Введение
Высокие здания является показательным символом современного строитеьства. Самые высокие здания мира сегодня поражает своим величием и технологической новизной.
Общепризнанными лидерами в строительстве высотных зданий в последнее время являются Китай и Объединенные Арабские Эмираты. Самое высокое здание в мире высотой 828 м - Burj Khalifa -было построено в Дубае в 2010 г. В настоящее время ведется строительство в Джидде (Саудовская Аравия) башни Kingdom Tower высотой 1 км.
Объем строительства высотных зданий в Узбекистане постоянно увеличивается. В настоящее время уже построено несколько зданий высотой выше 100 м. Из этих новостроек можно привести Ташкент-СИТИ, NEST ONE, DO'STLAR, Cambridje Residence и др. (рис. 1).
Рис. 1. Высотное здание при входе в Ташкент-СИТИ и жилой комплекс NEST ONE
Однако, с учетом сейсмичности, специфики архитектурного облика города Ташкента, устойчивых традиций градостроительства в Центральной Азии, концепция Ташкент Сити выстроена на гармонии природы и современных урбанистических идей, в которых особое внимание уделено сочетанию деловой активности и идеи зеленого города с обилием зелени, прохлады воды, парковых зон для отдыха.
Принимая это во внимание, высотные здания, предназначенные для бизнес-офисов, отелей и апартаментов, предусмотрено построить по современной технологии высотой не выше 40 этажей, а жилые - не выше 12-ти. Кроме этого, здесь будут конференц- и выставочные центры, гипермаркет, большое количество торговых площадей, ресторанов и кафе. Жизнь в современном городе, в котором улицы не предназначены для большого потока машин, создает неудобства в виде пробок. Поэтому в Сити предложено продолжить концепцию города Ташкента в виде широких улиц, и введено новшество в виде парковок под зданиями.
Грунт на этом участке оказались недостаточно плотный, поэтому его необходимо укреплять. Для этого строители применяют новую для нашей страны технологию Deep Mixing. Посредством специального наконечника в форме гигантского сверла в земле пробивается отверстие, куда сразу же заливается вода и засыпается цемент. Теперь сверло выступает в качестве миксера, который перемешивает эти строительные ингредиенты с грунтом в определённой пропорции. Через неделю после заливки выбрана проба бетона, который тестируют на качество, ещё через две недели - посредством специальных приборов измеряют прочность сваи. Если показатели не соответствуют норме, грунт укрепляют дополнительными подземными колоннами. Их будет около 6 000 диаметром 80 см каждая.
Для укрепления грунта было решено использовать технологию системы свай, которая применяется при строительстве высотных сооружений. Для реализации проекта привлекли специалистов ряда международных инженерных компаний из Турции, которые принимали участие в строительстве подобных зданий в других странах.
Посредством высокотехнологичного оборудования были взяты пробы из скважин, пробуренных по всему периметру участка застройки. Максимальная их глубина достигает 100 метров — это примерная высота 25-этажного дома. Результаты анализа
почвы необходимы для получения достоверных данных по дальнейшим действиям конструкторов-проектировщиков.
При строительстве фундаментов высотных зданий возникает ряд особенностей с учетом инженерно-геологических условий которые необходимо учитывать при проектировании. В связи с тем, что территория нашей страны расположена в подверженной землетрясению зоне, важно соблюдать особые требования к проектированию и строительству фундаментов высотных зданий:
■ В настоящее время уже построено несколько сотен зданий высотой выше 200 м. Высотные зданий Ташкент-СИТИ и других объектов при строительстве фундаментов высотных зданий возникает ряд особенностей, которые необходимо тщательно учитывать при проектировании:
■ Давление по подошве фундамента высотных зданий может быть на порядок выше, чем для зданий высотой до 75 м, что требует проведения специальных лабораторных и полевых изысканий.
■ Надо обращать внимание особенности инженерно-геологических изысканий.
■ Действующие нормы по проектированию свайных фундаментов распространяются на расчёт несущей способности сваи длиной 35 м (сопротивление по нижнему концу сваи) и 40 м (сопротивление по боковой поверхности), что может быть недостаточно для проектирования фундаментов высотных зданий.
■ Большие нагрузки (1-2 МПа), передаваемые на грунт основания, требуют учитывать в расчете прочностные и деформационные характеристики скальных и нескальных грунтов с Е > 100 МПа, считаю-
■ Давление под фундаментом может быть в несколько раз выше, чем давление от здания высотой до 75 м. В этом случае создается специальная лаборатория для изучения характеристик грунтов и инженерно-геологических исследований в полевых условиях.
■ Обратить особое внимание на качество инженерно-геологических исследований.
■ Согласно действующим нормативным документам существует практика определения несущей способности свайных фундаментов длиной до 35 м (сопротивление по нижнему концу сваи) и до 40 м (сопротивление по боковой поверхности). Этого естественно для проектирования высоких зданий может быть недостаточно.
■ При расчете прочностных и деформационных характеристик горных и неуплотненных почв (Е> 100 МПа) и зоны распределения напряжений в грунте по плану и глубине, в соответствии с действующими нормативными актами, под воздействием больших нагрузок, передаваемых в почву (1 -2 МПа) может привести к увеличению толщины слоев почвы, получающих передаваемые нагрузки. В частности, это условие может значительно сказаться при неравномерном размещении слоев.
■ Увеличение размеров (глубины и ширины) сжимаемой толщи в массиве грунта приводит к увеличению сроков завершения консолидации грунта и растягиванию процесса осадки во времени.
■ В случае если основание сложено грунтами с разными коэффициентами консолидации (как первичной, так и вторичной), необходимо учитывать возможность возникновения в результате такого неравномерного напряженно-деформированного состояния грунта (на промежуточной стадии консолидации) неодновременного окончания процессов консолидации различных видов грунтов и, как следствие этого, возникновения крена здания, превышающего предельные значения.
■ Высокая чувствительность к крену.
■ Увеличение размеров деформируемой области грунта основания приводит к оказанию большего влияния на окружающие здания и сооружения, в том числе водонесущие коммуникации, что необходимо учитывать в расчете.
Анализ проведенных исследований показывает что Описанные выше особенности высотных зданий, в частности большие сосредоточенные нагрузки (до 2 МПа и более), глубина изысканий (до 100 м и более) и площадь фундамента здания, принимая высокую чувствительность здания к крену, вызванному неравномерными деформациями фундамента, приводят к необходимости использования в качестве основания более прочных грунтов, находящихся, как правило, в переуплотненном состоянии, или скальных грунтов.
Свайно-плитный фундамент (СПФ) подразумевает включение в работу как свай, так и плиты. Он применяется в случаях, когда грунт под подошвой фундамента может включиться в работу и воспринять часть нагрузки. Данный тип фундаментов эффективен при «борьбе» с креном здания в случаях, если на фундамент действуют неравномерно приложенные нагрузки или фундамент под высотную часть не разделён осадочным швов от остальной, как правило, подземной части здания, а также для снижения влияния нового строительства на существующие здания и сооружения. В целом такая конструкция фундамента является наиболее эффективной при строительстве так любимых современными архитекторами многофункциональных комплексов, состоящих из высотных частей, объединенных единым стилобатом.
При проектировании СПФ приходится учитывать взаимодействие между грунтом основания, сваями и ростверком (плитой). По сравнению с традиционными методами расчет и проектирование СПФ требует применения более сложной модели взаимодействия между основанием и сооружением.
На основе накопленного опыта в настоящее время выработаны следующие положения для проектирования СПФ:
- применять несколько длинных свай вместо большого количества коротких;
- сваи располагать в зоне действия нагрузки;
- при расчёте несущей способности свай по материалу и их конструировании следует учитывать перегруженность угловых и периметральных свай относительно центральных;
- мероприятия по сохранению естественного состояния грунта под плитой должны являться составной частью проекта;
- между плитной частью ростверка и сваями выполнять зазор,который после включения фундаментной плиты в работу замоноличивается.
Исследования взаимодействия свай показали, что лучше использовать меньшее количество свай и располагать их в зоне приложения нагрузки (под колонной или пилоном), чем большее количество свай и высокий ростверк.
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 столицы Узбекистана активно застраивается район Ташкент-Сити, в котором на сегодня возведено уже более 50 зданий, высота этих зданий превышает 100 метров. Здания, которые по классификации Республики Узбекистан относятся к первой категории ответственности (выше 100 метров). В том числе в центрах некоторых областей республики уже построено несколько десятков многофункциональных зданий, так называемых СИТИ (город внутри города).
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, изучив многих авторов 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.
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 х 300 и 350 х 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 1 метров и длиной до 80 метров. Именно такие сваи были применены при строительстве многих высотных зданий города Ташкента.
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. Выводы и рекомендации
Принимая во внимание уникальность высотных зданий и несовершенство нормативной базы, следует отметить, что важным является проведение всестороннего мониторинга на всех этапах строительства и после его завершения до стабилизации деформаций и научно-технического сопровождения проектирования и строительства.
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.
При проектировании фундаментов высотных зданий необходимо учитывать особенности инженерно-геологических изысканий, расчетов и проектирования.
В связи с высокой «чувствительностью» высотных зданий к крену при расчете фундаментов важным является учет механической анизотропии, начального напряженно-деформированного состояния и консолидации грунта, а также влияние ограждающей конструкции котлована.
При расчете свайных и плитно-свайных фундаментов следует учитывать взаимовлияние свай друг на друга, перегруженность угловых и периметральных свай относительно центральных, при проектировании с помощью конструктивных и технологических мероприятий выравнивать усилия в сваях.
Список литературы /References
1. Тер-Мартиросян З.Г., Теличенко В.И., Королев М.В. Проблемы механики грунтов, оснований и фундаментов при строительстве многофункциональных высотных зданий и комплексов // Вестник МГСУ, 2006. № 1. С. 18-27.
2. Шулятьев О.А. Фундаменты высотных зданий. // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура, 2014. № 4. С. 203-245.
3. Витрувий. Десять книг об архитектуре / пер. Ф.А. Петровского под общ. ред. А.Г. Габричевского. М., 1936.
4. Катценбах Р., Шмитт А., Рамм X Основные принципы проектирования и мониторинга высотных зданий Франфурта-на-Майне. Случаи из практики // Реконструкция городов и геотехническое строительство, 2005. № 9. С. 80-99.
5. Бузруков З.С. Исследование совместной работы плоской рамы и свайных фундаментов при динамических воздействиях. Дисс.на соискание уч. степ. к.т.н.Ташкент, 1993. 175 с.
6. Ильичёв В.А., Петрухин В.П., Шейнин В.И. Принципы проектирования оснований и фундаментов высотных зданий, учитывающие Фундаменты высотных зданий их геотехничесие особенности // Современное высотное строительство / ГУП «ИТЦ Москомархитектуры». М., 2007. С. 255-261.
7. Расчёты оснований свайно-плитных фундаментов 49- и 85-этажных зданий на участке №16 ММДЦ «Москва-СИТИ» / В.П. Петрухин, И.В. Колыбин, И.Г. Ладыженский, К.И. Бакиров, А.В. Сергиенко // Высотные здания, 2013. № 56/12- 13. С. 124-133.
8. Behavior of plate foundation in deep excavation beneath 32-storey building in Moscow / A.V. Skorikov, I.V. Kolybin, D.E. Razvodovsky,A.A. Starshinov // Proc. оf the 5th Int. conf. of TC-28 of the ISSMGE, the Netherlands, 15-17 June, 2005.
9. Buzrukov Z., Khamrakulov А. Joint work of a flat frame and pile foundations under dynamic impacts. 2nd International Conference on Robotics and Mechantronics. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 517, 2019. 011001.
