CC BY
28Научно-технический и производственный журнал
шШьпти)
УДК 624.04.154:[624.07:69.032.22]
С.С. БОЛДЫРЕВ, инженер (hpq@ya.ru), А.Н. КЛИМОВ, инженер
ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища)»
(127434, г. Москва, Дмитровское ш., 9, стр. 3)
Проектирование свайного фундамента высотного жилого комплекса «Загорье»
Рассмотрен опыт проектирования свайного фундамента высотного здания. Представлены результаты расчетов, испытаний свай статической нагрузкой и данные комплексной системы мониторинга, включающей элементы геодезического контроля деформаций конструкций и инструментального мониторинга внутренних напряжений в ответственных несущих конструкциях здания. Сравнение пяти вариантов фундаментной конструкции позволило определить оптимальные параметры свай и свайного ростверка. Принятые конструктивные решения позволили рационально использовать несущую способность грунтов основания и отказаться от применения дорогостоящих и более сложных в изготовлении свай-стоек.
Ключевые слова: высотные здания, свайный фундамент, висячие сваи, сложные инженерно-геологические условия, испытание свай.
S.S. BOLDYREV, Engineer (hpq@ya.ru), A.N. KLIMOV, Engineer OAO "Central Scientific-Research and Design Institute of Public and Residential Buildings (TSNIIEPzhilishcha)" (9, structure 3, Dmitrovskoye Highway, 127434, Moscow, Russian Federation)
Designing of a Pile Foundation in the High-Rise Residential Complex «Zagorie»
An experience in the design of a pile foundation of a high-rise building is considered. Calculations of the foundation are presented. Approved structural solutions make it possible to rationally use the bearing capacity of foundation bed soils and abandon the use of expensive and more difficult to manufacture end-bearing piles. Data obtained with the help of the designed and operating complex system of monitoring, which includes the elements of geodesic control over deformations of structures and instrumental monitoring of body stresses in critical bearing structures of the building, are presented. The comparison of five variants of the foundation design made it possible to determine the optimal parameters of piles and raft foundation.
Keywords: high-rise buildings, pile foundation, friction piles, complex engineering-geological conditions, pile test.
В 2013 г. закончено возведение высотного многофункционального жилого комплекса «Загорье», расположенного в Южном административном округе в районе Бирюлево-Восточное (рис. 1), который на данный момент является одним из самых высоких жилых комплексов и городской доминантой столицы. Проект ЖК «Загорье» выполнен Центральным научно-исследовательским и проектным институтом жилых и общественных зданий. На протяжении 2000-х гг. по проектам ОАО «ЦНИИЭП жилища» построено пять зданий высотой более 100 м, а институт стал головной организацией по формированию нормативной базы высотного строительства.
В качестве основного конструктивного решения фундаментов первых высотных зданий г. Москвы принят плитный или коробчатый фундамент. Однако в процессе освоения городских территорий с неблагоприятными геологическими условиями от этого решения пришлось отказаться в пользу свайных и комбинированных плитно-свайных фундаментов (Ханиш Ю., Катценбах Р. Руководство по высотным зданиям. Комбинированные свайно-плиточные фундаменты. М.: ОАО «ЦНИИЭП жилища», 2006. 219 с.).
Практика показывает, что при повышенных нагрузках на фундамент (750 кПа и более) зачастую невозможно запроектировать свайный фундамент по методикам, изложенным в нормативных документах (СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты»). Это приводит либо к необходимости существенно увеличивать длину свай и переходить от
Рис. 1. Перспектива здания. 2014 г.
Современное проектирование
шШстм
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 2. Характерный инженерно-геологический разрез грунтового основания
висячих сваи к сваям-стоикам, что значительно удорожает строительство, либо определять несущую способность сваИ численными методами с использованием современных программных комплексов [1—4].
В настоящей статье рассмотрен опыт проектирования сваИного фундамента высотного здания «Загорье». Расчеты фундамента выполнены специалистами ОАО «ЦНИИЭП жилища» в сотрудничестве с кафедрой механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ. Принятые конструктивные решения позволили наиболее рационально использовать несущую способность грунтов основания и отказаться от применения дорогостоящих и более сложных в изготовлении свай-стоек.
ЖК «Загорье» состоит из 18 секций, из которых 17 имеют переменную этажность от 6 до 24 этажей, а одна, являющаяся центром всей композиции, имеет высоту 45 этажей.
Инженерно-геологическое строение площадки строительства характеризуется наличием повсеместно распространенных с глубины 3,7-9 м суглинков мягко- и текучепластичной консистенции с прослоями пылеватых песков общей мощностью 2,2-10,8 м, являющихся водовмещающими породами верхнего водоносного горизонта (рис. 2), причем под высотной частью комплекса мощность слабых грунтов достигает наибольшей величины (рис. 3). Участок относится к III (слож-
Мощность
суглинков, м
г 12
. 11
г 10
. 9
. 8
7
6
5
4
3
2 1
0
Рис. 3. Изополя распространения мягко- и текучепластичных суглинков под фундаментной плитой
ной) категории сложности по инженерно-геологическим условиям.
Конструктивная схема 45-этажной секции, состоящей из четырех блоков, общей площадью 4500 м2 - монолитный железобетонный каркас. Авторами проекта реализована конструктивная схема, имеющая экономичное для подобного строения отношение расхода 1 м3. бетона несущих конструкций к общей площади первого и типового этажей, равное 0,39 и 0,35 соответственно (рис. 4). При этом перекрытия запроектированы толщиной 180 мм, стены и пилоны - толщиной 160-400 мм.
Общий вес высотной секции в уровне низа фундаментного ростверка составляет 341,2 тыс. т.
При проработке первого варианта конструктивного решения фундамента высотной секции в виде плиты на естественном основании было установлено, что в этом случае осадки здания достигают недопустимых значений до 44 см. Поэтому в качестве основного варианта был принят свайный фундамент с висячими сваями, опирающимися на верхнеюрские волжские и оксфордские глины твердой консистенции.
Рис. 4. Фрагмент плана вертикальных несущих конструкций (секция 1, блок 4)
Научно-технический и производственный журнал
шШстм
Fd, кН 12000
9000
6000
3000
S, м
0,3
Рис. 5. График зависимости осадки от нагрузки для одиночной сваи диаметром 1 м, длиной 20м
При проектировании свайных фундаментов были решены следующие задачи:
- выбор технологии устройства свайного основания;
- выбор способа заделки оголовков свай в плиту ростверка;
- определение толщины и конструктивной схемы свайного ростверка;
- определение с помощью виртуальных испытаний несущей способности свай;
- учет взаимного влияния свай в составе свайного поля;
- оптимизация схемы расстановки и назначение длин свай с учетом неравномерного распределения нагрузок и возникновения «краевого эффекта».
Значение несущей способности свай, определенное по СНиП 2.02.03-85, при данных геологических условиях оказывается очень малым. Так, для свай диаметром 1 м и длиной 20 м несущая способность Fd составляет всего 4000 кН. При нагрузке под подошвой фундамента 750-800 кПа запроектировать свайный фундамент невозможно из-за конструктивных требований к расположению свай. Поэто-
му несущая способность свай определена численным методом (виртуальный эксперимент) в программе Plaxis 3D Foundation при заданном предельном значении осадки фундамента 20 см.
По итогам виртуального эксперимента получены графики зависимости осадки свай от нагрузки, в результате чего значение несущей способности свай было повышено более чем вдвое: до 8500 кН для сваи, рассмотренной выше (рис. 5).
Для дальнейшей оценки напряженно-деформированного состояния фундаментов с использованием программного комплекса для расчетов пространственных строительных систем ЛИРА версии 9.6 было необходимо определить жесткости свай, используя данные об усилиях и осадках, полученные в результате численного расчета основания и фундамента в трехмерной постановке. На этом этапе были выявлены несовершенства численного метода, основное из которых заключается в том, что по краям свайного поля жесткости свай значительно превышают жесткости средних свай. При этом для крайних свай прогнозируемые значения усилий и осадок не соответствовали данным виртуального эксперимента.
Для устранения данного эффекта было принято решение уменьшить жесткость крайних свай путем уменьшения их длины, а также провести ручную корректировку полученных по компьютерному расчету жесткостей свай (рис. 6). Следует отметить, что проектирование свайных фундаментов с переменной длиной свай в целом соответствует мировой практике [5].
&
• • • • • • •! • •
с* • • • О
1 • • • • • • • 1 • •
! • • • • • • • • •
\ I •
70000 60000 55000 45000
Рис. 6. Результат корректировки жесткостей свай
о - свая диаметром 1200 мм, длиной 25 м • - свая диаметром 1200 мм, длиной 20 м с - свая диаметром 1200 мм, длиной 18 м
- свая диаметром 1000 мм, длиной 22 м
- свая диаметром 1000 мм, длиной 20 м
- свая диаметром 1000 мм, длиной 18 м
Рис. 7. План свайного поля секции 1
0
Современное проектирование
шШстм
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 8. Возведение фундаментных конструкций высотной части комплекса
Рис. 9. Подготовка стенда для испытания сваи
Рис. 10. Контроль сплошности свай методом Sonic
На основании сравнения пяти вариантов фундаментной конструкции были определены оптимальные параметры свай и плитного ростверка. Буронабивные сваи приняты диаметром 1,2 м и длиной 18-25 м, а также 1 м при длине 18-22 м (рис. 7). В проекте максимальная нагрузка на сваю принята равной 11800 кН. Общее количество свай для 45-этажной секции 374 шт. Ростверк представляет собой
Р, кН
10000
8000 6000 4000 2000 0
«г** i
(1 ; i | •
ft 1 а
ч * V 1' /
/ 4 ? 1 4-i-
— Расчетный график
Экспериментальные графики: Нагружение 1 Нагружение 2 Нагружение 3
S, м
0,1 0,2 0,3 0,4
Рис. 11. График испытания сваи диаметром 1,2м
Р, кН
6000
4000
2000
0
И
/ J -"■Л. / ^ /п */ If 1
г / 4 / I / * 1 ! 1 f 1 i ! ! E 1 h 1 i t
(7 — 4 Г / i 7 I I i -i Г f / -
— Расчетный график
Экспериментальные графики: Нагружение 1 Нагружение2 Нагружение3 Нагружение4
S, м
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Рис. 12. График испытания сваи диаметром 1 м
100
Рис. 13. Графики прогнозируемых и фактических осадок фундамента по сечению вдоль высотной секции
плоскую железобетонную конструкцию в виде плиты переменной толщины 1,6 и 1,8 м (рис. 8).
Для подтверждения обоснованности и надежности принятых проектных решений разработана программа статических испытаний буронабивных свай вертикальной нагрузкой и выполнена серия испытаний натурных свай классическим способом с использованием анкерных свай, упорных балок и батарей домкратов (рис. 9, 10).
Специфика проведенных испытаний заключалась в необходимости достижения значительной осадки свай при нагрузках, близких к предельным (до 20 см и более). Вследствие этого испытания проводились в несколько циклов нагружения, разгрузки и повторного нагружения, которые были необходимы для регулировки испытательного стенда. Полученные данные по-своему уникальны и отражают сложный характер работы свай при циклических нагрузках (рис. 11, 12).
Результаты испытаний полностью подтвердили прогноз, полученный численными методами. Как видно из графиков на рис. 11, 12, при расчетных нагрузках на сваи грунт находится в стадии пластической работы, при которой зависимость деформаций от напряжений носит нелинейный характер.
Использование участка пластической работы грунта позволяет реализовать резервы несущей способности грунтового основания и добиться существенной экономии в затратах на материалы фундаментных конструкций и производство работ.
В процессе строительства и эксплуатации здания контроль напряжений и деформаций фундаментов осуществляется с помощью системы мониторинга. На данном объекте была запроектирована и запущена в эксплуатацию комплексная система мониторинга, включающая в себя элементы геодезического контроля деформаций конструкций и инструментального мониторинга внутренних напряжений в ответственных несущих конструкциях здания.
Геодезический мониторинг проводился в ходе строительства, а также запланирован в течение нескольких лет после его завершения. Периодичность проведения измерений принята раз в квартал. Среднее значение осадки фундамента высотной секции, полученное на последнем этапе геодезического мониторинга, практически полностью совпало с прогнозируемым значением: 16 см по расчету и фактически (рис. 13). Различие зафиксировано только в значениях относительной разности осадок, что обусловлено указанными выше несовершенствами численного метода расчета. На рассматриваемом объекте крены фундамента практически отсутствуют благодаря проведенной оптимизации конструктивного решения свайного поля. Это доказывает, что при проектировании столь сложных конструк-
0
Научно-технический и производственный журнал
шШстм
ций необходимо проводить всесторонний инженерный анализ данных численного расчета и при необходимости корректировку проекта.
Выводы
При проектировании уникальных зданий часто возникают ситуации, когда необходимо отступать от положений нормативных документов вследствие их неполноты или консервативности предлагаемых расчетных методик. Опыт проектирования фундамента жилого комплекса «Загорье»
показал, что существуют современные методы, которые позволяют в полной мере исследовать все факторы, влияющие на работу строительных конструкций и грунтов основания. Учет пластической стадии работы грунта дает возможность реализовать резервы несущей способности основания и добиться существенного экономического эффекта. А надежность использованных методов расчета подтверждается данными испытаний и мониторинга конструкций в процессе строительства и эксплуатации здания.
Список литературы
References
1. Таракановский В.К., Капустян Н.К., Климов А.Н. Опыт мониторинга процессов деформирования в грунтах основания высотных зданий в Москве // Гзоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2010. № 6. С. 555-566.
2. Катценбах Р., Леппла Ш., Фоглер М., Дунаевский Р.А., Куттиг Х. Опыт оптимизации стоимости фундаментов высотных зданий // Жилищное строительство. 2010. № 5. С. 7-13.
3. Безволев С.Г. Методика расчетов оснований и фундаментов тяжело нагруженных сооружений в сложных геотехнических условиях // Геотехника. 2012. № 2. С. 14-45.
4. Шулятьев О.А. Фундаменты высотных зданий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. 2014. № 4. С. 203-245.
5. Катценбах Р., Шмитт А., Рамм Х. Основные принципы проектирования и мониторинга высотных зданий Франкфурта-на-Майне. Случаи из практики // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2005. № 9. С. 80-99.
Tarakanovsky V.K., Kapustyan N.K., Klimov A.N. Experience of monitoring of processes of deformation in soil of foundation of high-rise buildings in Moscow. Geoekologiya, inzhenernaya geologiya, gidrogeologiya, geokriologiya. 2010. No. 6, pp. 555-566. (In Russian). Kattsenbakh R., Leppla Sh., Fogler M., Dunayevsky R.A., Kuttig of X. Experience of optimization of cost of the bases of high-rise buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2010. No. 5, pp. 7-13. (In Russian). Bezvolev of S.G. Metodik of calculations of the bases and the bases of hard loaded constructions in difficult geospecifications. Geotekhnika. 2012. No. 2, pp. 14-45. (In Russian).
Shulyatyev O.A. Bases of high-rise buildings. Vestnik Perm-skogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. 2014. No. 4, pp. 203-245. (In Russian). Kattsenbakh R., Schmitt And., Ramm X. Basic principles of design and monitoring of high-rise buildings of Frankfurt am Main. Rekonstruktsiya gorodov i geotekhnicheskoe stroitel'stvo. 2005. No. 9, pp. 80-99. (In Russian).
1'2015
11
