Особенности высотного домостроения

Согласно ТКП 108 состав и  объем работ при инженерных изысканиях под высотное строительство должны определяться в соответствии с требованиями СНБ 1.02.01 как для объектов третьей  категории сложности инженерно-геологических  условий, так и для существующей застройки в пределах зоны влияния  проектируемого объекта (не менее двух ширин фундамента ВЗ). Использование  прямых методов для определения  свойств грунтов обязательно. Для уточнения геологического строения и неоднородности основания и характеристик грунтов между буровыми скважинами следует также проводить их геофизические исследования и зондирование.

Количество точек зондирования при проведении ИГИ для сложных  инженерно-геологических условий  необходимо увеличивать, а результаты геофизических исследований и зондирования грунтов подтверждать их прямыми  исследованиями. При этом лабораторные исследования должны моделировать работу грунта в основании здания в условиях изменяющегося напряженно-деформированного состояния (загрузка-разгрузка), в т.ч. во времени.

Таким образом, особенности  высотных зданий предъявляют повышенные требования к результатам ИГИ  и должны решить следующие основные задачи при их проведении:

– изучение геологического строения массива грунтов больших объемов (до 100 м по глубине и не менее еще 2 ширин фундамента за пределами его контура);

– достоверную оценку гидрогеологических и гидрохимических условий как сжимаемого массива грунта, так и в зоне котлована и прилегающей территории с установлением их коррозийной агрессивности, в т.ч. во времени;

– определение деформационных и прочностных свойств дисперсных и скальных грунтов при больших диапазонах изменения напряжений от 1,5–2,0 до 3–5 МПа (большие значения для опор глубокого заложения);

– инструментальное наблюдение и мониторинг за деформациями грунтового массива основания фундамента и прилегающей территории как при статических, так и динамических воздействиях, в т.ч. от его движения при действии природных процессов (неотектонических) и при техногенных воздействиях и др. (раздел 4).

2. Выбор,  проектирование, строительство оснований,  фундаментов и подземных частей  высотных зданий

Конструктивно-технологические  решения фундаментов ВЗ принимаются  на основании оценки геотехнической опасности территории строительства (приложение Г ТКП 108) и технико-экономического сравнения возможных вариантов  по 5.1 СНБ 5.01.01 [5], обеспечивающей наиболее полное использование прочностных  и деформационных характеристик  грунтов и физико-механических свойств  материалов фундаментов и подземных  конструкций. Три геотехнические особенности  ВЗ (раздел 1) обуславливают следующие  основные типы фундаментов для них:

– массивные плитные (предпочтительно повышенной жесткости, в т.ч. коробчатые с развитой подземной частью) на естественном или укрепленном основании;

– свайные (предпочтительно глубокие опоры);

– комбинированные, в т.ч. свайно-плитные (СПФ), плитно-анкерные, щелевые.

Рекомендации по применению каждого вида фундаментов изложены в разделе 3.

Согласно ТКП 108 проектирование основания указанных фундаментов  и подземной части ВЗ ведется  по тем же принципам и нормам, что и обычных зданий и сооружений (СНБ 5.01.01, 5.03.01–02, СНиП 2.01.07, ГОСТ 27751 [5–7] и др.). Но с учетом трех уникальных геотехнических особенностей ВЗ (раздел 1), обусловливающих дополнительные повышенные требования к их проектированию. Основные из них:

• Расчет по первой группе предельных состояний, который в отличие от проектирования обычных зданий обязателен во всех случаях.
• Расчет по второй группе предельных состояний, определенных в результате “экспертных оценок” и наблюдений за тысячами объектов, отличается тем, что допустимые деформации назначаются не по таблице приложения В СНБ 5.01.01 [5], а исходя из архитектурных или эксплуатационных требований – жесткости сооружения и допустимого крена фундамента, обеспечивающего отклонения верха ВЗ не более 1/500 (для высоты h от 75 до 100 м) и 1/600 (при h от 100 до 200 м), а также архитектурных или эксплуатационных требований (для конструкций фасада, отделки, лестниц, эскалаторов, лифтов, специального инженерного оборудования и др.), приведенных в ТЗ на проектирование.
• Расчет следует вести на основное и особое сочетание нагрузок с понижающим коэффициентом условий работы g_с= 0,9 для определения деформативных характеристик грунта и повышенным коэффициентом надежности по ответственности g_n = 1,1 при 75 м ≤ h < 100 м и g_n = 1,15 при 100 м ≤ h ≤ 200 м.

Проведение независимой  геотехнической экспертизы принятых решений  и расчетных моделей оснований  и расчетных схем фундаментов (т.е. расчет производится не менее двух раз, двумя организациями (генпроектная и назначаемая Минстройархитектуры) по двум моделям деформации грунта с использованием пакетов программных комплексов на основе МКЭ и инженерного метода “послойного суммирования”).

Расчет осадок рекомендуемых  фундаментов следует вести с  учетом особенностей трех стадий деформирования НДС основания: 1 – на исходное напряженное состояние основания от собственного давления грунта, грунтовых вод (напорных и безнапорных), соседних сооружений, транспорта, оборудования и др.; 2 – на состояние после выемки грунта из котлована и разгрузки основания, как правило, вызывающей “поднятие” дна котлована; 3 – на состояние после повторного загружения основания нагрузкой от возведенного ВЗ и других внешних нагрузок.

Таким образом, при расчете  осадок фундаментов ВЗ необходимо учитывать  все три стадии и деформации грунта от этих НДС основания и суммировать  его деформации (послойное суммирование), вызванные этими состояниями  по глубине активной (сжимаемой) толщи  Н_с. Для автоматизации этих трудоемких расчетов целесообразно применять современную вычислительную технику и пакеты программ на основе МКЭ. Однако существующие программы на основе общепризнанных (нормативных) моделей деформационного поведения грунтов (упругая или упруго-идеальнопластическая среда с условием текучести Кулона – Мора) не учитывают при расчете осадок сильно нагруженных оснований ВЗ три стадии деформируемости грунта при первичном и повторном нагружении-разгрузке основания или зависимость жесткости грунта (как при первичном, так и при повторном загружении) от его напряженного состояния. В связи с этим в ТКП 108 в качестве основного принят эффективный “инженерный” метод расчета осадок s плитных фундаментов – послойного суммирования от распределенной нагрузки на поверхности однородного упругого полупространства. Причем это относится как к изменениям напряжений от нагрузок здания, так и от выемки грунта под котлован. Учет изменения НДС при разгрузке-нагрузке (повторной) основания и влияния бокового обжатия на вертикальную деформируемость (от компрессии непосредственно под плитой до одноосного сжатия на значительной глубине) производится с использованием переменного модуля деформации Е, входящего в формулу послойного суммирования (ТКП 45–5.01–67–2007. “Фундаменты плитные”).

Кроме того, для предотвращения чрезмерных расчетных осадок в случае большеразмерных фундаментов активная толща ограничивается в ТКП 108 по критерию s_zp = 0,5 s_zg, где s_zp – напряжения от внешней нагрузки. Этот же метод рекомендуется использовать при расчете осадок свайных и плитно-свайных фундаментов по методу “условный фундамент” с опорной плоскостью на основание в уровне концов свай.

Под условным фундаментом  понимается сплошной объем грунта и  фундамента, ограниченный с боков  вертикальными сваями, отстоящими от наружных граней крайних свай не более 2d; снизу – плоскостью в уровне нижних концов; сверху – поверхностью планировки. Жесткость (модуль упругости) такого условного фундамента в вертикальном и горизонтальном направлениях неодинакова, т.е. массив получается конструктивно анизотропным. Его осадка оказывается неравномерной – в центре больше, по краям меньше. Из практики известно, что механизмы передачи нагрузки для одиночной сваи и такой же сваи в группе различны. В группе крайние сваи воспринимают нагрузку примерно в 4 раза меньшую, чем центральная. При этом нагрузка, приходящаяся на плиту свайно-плитного фундамента (СПФ), достигает 50–70%. К осадке условного фундамента следует добавлять осадку “продавливания” центральных свай, т.к. они передают нагрузку на основание только через концы свай. Поэтому расчет осадки свайных фундаментов следует разделять на две составляющие: общую осадку “условного” фундамента и локальную осадку продавливания отдельных свай.

Опыт строительства ВЗ по ТКП 108 (раздел 4) и эксплуатации зданий и сооружений в стесненных условиях городской застройки [8] свидетельствует, что возводимые здания оказывают  на расположенные по соседству объекты  значительные строительно-технологические  воздействия, вызывающие изменения  напряженного состояния их основания  и дополнительные осадки последних (от загружения массива грунта новым зданием, вибродинамического строительного воздействия, отрывки котлована, изменения водного режима и др.). Это необходимо учитывать при проектировании фундамента ВЗ, и расчет осадок следует выполнять исходя из двух условий:

s ≤ s_u,

s_sd. ≤ s_sd.u,

где s – абсолютная конечная осадка объекта, см;

s_u – то же, допустимое значение по СНиП 5.01.01 [5];

s_sd – то же, дополнительная осадка, определяемая расчетом, например методом угловых точек по [5];

s_sd.u – предельно допустимая величина дополнительной осадки по таблице.

Кроме того, при разработке проекта фундамента ВЗ с расположением  его ниже подошвы фундаментов  существующего объекта необходимо выполнять проверку устойчивости грунтов  их оснований при отрывке котлована, водопонижении, забивке свай и шпунта.

3. Комментарий  по применению фундаментов, рекомендуемых  ТКП 108 для ВЗ

Массивные плитные фундаменты традиционно используются для ВЗ и являются наиболее простым и  экономичным конструктивным решением. Однако условия взаимодействия таких  фундаментов с основанием (возникновение  кренов, выпор грунта из-под края фундамента, потенциальная возможность  потери общей устойчивости здания, значительные сосредоточенные и  изгибающие усилия в конструкции  фундамента в местах точечного приложения значительных нагрузок) требуют тщательного  расчетного обоснования возможности  их применения.

Эффективность использования  плитного фундамента существенно возрастает в случае его заглубления, при  котором уменьшается разница  между сжимающими напряжениями под  подошвой фундамента от приложенной сверху нагрузки и природными вертикальными напряжениями в ненарушенном массиве грунта. Такая плита вместе с подземной частью здания образует так называемый “плавающий” фундамент.

На благоприятных (прочных) песчаных, гравийных основаниях (без  слабых обводненных прослоек) с центрально приложенной нагрузкой (без больших  эксцентриситетов и местных сосредоточенных  нагрузок) плитные фундаменты – самые экономичные.

Свайные фундаменты в виде свайного ноля или глубоких опор – наиболее применяемые в последнее время для ВЗ при большой мощности четвертичных отложений с невысокими или неоднородными значениями показателей физико-механических свойств грунтов основания, при значительной площади ВЗ и больших сосредоточенных или моментных нагрузках от него на фундамент.

Фундаменты в виде глубоких опор, непосредственно передающих нагрузку от высотного здания на глубоко залегающие несущие грунты, являются более надежными, т.к. обеспечивают наименьшие осадки здания. Однако экономичность и техническая  реализуемость их использования  значительно ухудшаются при увеличении глубины залегания несущих слоев. Для свай в таких фундаментах  на первое место выходит несущая  способность по материалу, а не по грунту. Учитывая это, использование  свай малого диаметра для них нецелесообразно.

Вместе с тем практика последних лет показывает, что  наиболее эффективно располагать сваи не в виде равномерных полей, а  отдельных кустов и лент под сосредоточенными нагрузками, что позволяет уменьшить  высоту плит-ростверков и их материалоемкость и улучшает условия работы надфундаментной конструкции. Продуктивность такого фундамента обеспечивается путем учета особенностей передачи нагрузки на основание сваями от центра к периферии и регулируется посредством изменения их длины, диаметра или шага. Такие фундаменты получили название свайно-плитные (СПФ).

По сравнению со свайными фундаментами свайно-плитные наиболее приемлемы с экономической и  технической точек зрения, т.к. распределяют нагрузки не только через сваи, но и  плиту – ростверк (от 15 до 60% в случае залегания под подошвой ростверка достаточно прочных грунтов на требуемую глубину). Анализ применения СПФ показывает, что существует множество решений по их проектированию и применению, каждое из которых обладает своими особенностями. Главная проблема заключается в том, что нет единого нормативного подхода по проектированию и возведению СПФ, которые являются пока еще мало изученной областью строительства и требуют дополнительных исследований перед началом их широкого применения.

Учитывая повышенные геотехнические особенности ВЗ (раздел 1), при их возведении должны осуществляться дополнительные требования не только к проектированию, но и к вопросам экспертизы и тестирования строительства оснований, фундаментов  и подземных частей.

4. Научно-техническое  (геотехническое) сопровождение строительства  высотных зданий

Среди наиболее эффективных  способов “тестирования” проекта основания, фундамента и подземной части ВЗ – проведение научно-технического сопровождения и постоянного геотехнического мониторинга в течение всего процесса его строительства и эксплуатации до полной стабилизации деформаций грунтов основания (осадок) [3, 9], которые затухают медленнее, чем для обычных зданий.

В ТКП 108 в связи с этим даны указания об обязательном геотехническом сопровождении высотного строительства. В частности, о проведении геотехнической экспертизы на всех этапах проектирования, возведения и эксплуатации ВЗ, включающей научно-техническое сопровождение (НТС) и его неотъемлемую и наиболее важную часть – геотехнический мониторинг (ГМ). Геотехническое сопровождение строительства (НТС, ГМ) позволяет обеспечить его безопасность, эффективность и надежность последующей эксплуатации ВЗ, накопление экспериментального опыта и данных для совершенствования методов проектирования, а также минимизацию воздействия на окружающую застройку и природную среду в радиусе зоны влияния высотной части.