Стремительно дорожащая земля в американских городах подтолкнуло к строительству небоскребов как способа экономии. Сейчас же основной причиной возведения сверхвысоких зданий служат демонстрация богатства, мощи и амбиций. Несмотря на то, что гонка за высотностью может быть ярмаркой тщеславия, строительство таких сооружений остаётся сложнейшей инженерной задачей.
Говорят меньше о подземной части сооружений, но вопрос о том, как гигантские, почти километровые «иглы», вроде Burj Khalifa или строящейся Kingdom Tower, удерживаются в грунте, весьма интересен. Почему
они не падают? Почему не проваливаются в грунт и как выдерживают колоссальные ветровые нагрузки?
Журнал «ПМ» обратился в московский институт «Горпроект», занимающийся проектированием высотных зданий, чтобы разобраться в технологии сооружения оснований для небоскребов. Руководитель конструкторского отдела ЗАО «Горпроект», кандидат технических наук Елена Зайцева, любезно согласилась выступить консультантом.
Здесь вам не Манхэттен
«При проектировании фундамента высотного здания главное — высокая нагрузка, передаваемая сооружением на основание, — говорит Елена Зайцева. Важно разграничивать понятия «фундамент» и «основание здания». Под фундаментом понимают часть здания (нижние конструкции — плита, свайный ростверк, сваи и т. д.), которая передает нагрузку от сооружения на грунт. А основанием называют массив грунта, в котором появляются дополнительные напряжения и осадки под воздействием здания через его фундамент. Задача состоит в том, чтобы правильно спроектировать и то, и другое. Основная сложность возникает из-за большой высоты здания и маленькой площади передачи нагрузки на основание по отношению к высоте сооружения. Это приводит к высоким напряжениям как в самой конструкции фундамента (большие изгибающие моменты и значительная продавливающая нагрузка от стен и колонн), так и в основании (фундамент-грунт)».
Характеристики грунта непосредственно влияют на конструкцию фундамента. На острове Манхэттен, где расположен самый известный парк небоскребов, скальный грунт находится близко к поверхности, что упрощает работу проектировщиков. Достаточно выровнять площадку, чтобы построить фундамент в виде толстой плиты из армированного бетона. В настоящее время чемпионат по сверхвысотному строительству проходит на Аравийском полуострове.
В этом месте возвышается самый высокий небоскреб Burj Khalifa (828 м, ОАЭ) и ведется строительство другого гиганта высотой в 1007 м — Kingdom Tower (Саудовская Аравия). Намеревались сделать его высотой в милю (1609 м), но геологи дали категоричное «нет» — почва не выдержит. Аравия — пустынная земля, сформированная отложениями древнего океана, то есть состоящая преимущественно из песчаных пород. Только на глубине встречаются относительно твердые породы типа известкового скалистого грунта. Этот фактор приходилось учитывать чикагскому архитектору Эдриану Смиту, главному создателю аравийских чудес, и другим авторам проектов небоскребов на песке.
Держась за недра
Фундамент Burj Khalifa представляет собой свайно-плитный тип конструкции. Плита толщиной 3,7 метра напоминает цветок с тремя лепестками, что отражает общую конструкцию здания: центральное шестигранное ядро и три крыла, выступающие в роли контрфорсов (вертикальных подпирающих конструкций). Это придает зданию большую жесткость к боковым нагрузкам и кручению.
Плиту планируют укрепить на 192 сваях диаметром 1,5 метра и длиной 43 метра. Для небоскребов в основном используют буронабивные сваи: для этого сначала бурят скважины необходимых размеров и глубины, а затем заполняют их арматурой и бетоном.
Иногда сваи пробивают мягкие почвенные слои и достигают на определенной глубине твердых скальных пород, обеспечивая надежную опору фундаменту. В Аравии даже на глубине 50 метров породы остаются мягкими с низкой степенью цементации. Сваи, поддерживающие плиту фундамента, по сути являются «висячими», то есть нагрузка от здания передается верхним слоям грунта через плиту, а нижним — в основном через трение поверхностей сваи и грунта.
При строительстве куала-лумпурских башен-близнецов — Petronas Towers — возникла инженерная задача. Под местом их фундамента располагался твердый скальный грунт, но в виде крутого склона. Можно было использовать сваи, опирающиеся на скалу, но это привело бы к разному уровню длины свай. Проектировщики опасались, что под весом зданий более длинные сваи со временем сожмутся и сократится их длина, в результате чего башни покачнётся. В итоге было решено перенести строительство туда, где скальный грунт не подходил близко к поверхности, и поставить небоскребы на «висячих сваях».
Бетон прочен при сжатии, но слаб в растяжении и изгибе. При возведении фундаментов применяют железобетон, включающий стальную арматуру и тяжелый бетон. Плиты армируют горизонтальными сетками для восприятия изгибающих моментов, а нагрузку на сжатие принимает на себя бетон. Диаметр стальной арматуры в плитах достигает 40 мм, а в сваях могут использовать арматуру большего диаметра. Таким образом, высотное здание передает вертикальную нагрузку и изгибающие моменты основанию через плитный или плитно-свайный фундамент. Но как крепится само здание к фундаменту?
Московская специфика
Проектирование высотных сооружений в Москве сталкивается с особенностями грунта: отсутствие прочных скальных грунтов и местами высокий уровень грунтовых вод. Толща земли представляет собой переслаивающиеся слои песчаных и глинистых грунтов, подходящие для обычных зданий. Однако давление от подошвы фундамента высотного здания (7-11 кг/см2) оказывается слишком великим для этих оснований. Практически повсеместно в Москве на доступной для подземных конструкций глубине залегает слой известняка, на который стараются опирать фундаменты небоскребов.
Известняк — материал, значительно менее прочный, чем, например, гранит, и склонный к разрушению под воздействием кислот. Продукты жизнедеятельности человека медленно загрязняют горизонты подземных вод, что следует учитывать при проектировании небоскреба на долгое время. С другой стороны, отсутствие ураганов и землетрясений – благоприятный фактор.
Вопросы защиты котлована от грунтовых вод во время строительства решаются либо погружением с помощью иглофильтрационных установок, качающих воду глубже дна котлована, либо созданием водонепроницаемой «стены в грунте», конец которой опускают в глинистый грунт-водоупор.
Защиту подземной части здания от воды осуществляют с помощью гидроизоляции или применяя «белую ванну» — бетон с пониженной водопроницаемостью, в местах швов устанавливаются эластичные шпонки.
Эти работы требуют высокой квалификации строителей, так как исправить ошибки при устройстве подземной части здания очень трудно и дорого.
Непрерывная связь
При возведении высотных зданий соединение конструкций с плитой или ростверком осуществляется по жесткой схеме. Из плиты делаются выпуски арматуры в местах опоры на нее вертикальных конструкций таким образом, чтобы они совпадали с арматурой этих конструкций. При бетонировании стен и колонн арматура плиты и конструкций соединяется, образуя непрерывную связь. Это позволяет небоскребу иметь надежный «якорь», куда передается горизонтальная нагрузка от порывов ветра или сейсмических толчков.
Соединение свай с ростверком может быть шарнирным (арматура сваи не заходит в плиту ростверка) или жестким (в плиту заводится не только арматура, но и часть головы сваи). В первом случае от здания передаются только вертикальные нагрузки на сваи, во втором — также изгибающий момент.
Придя к стройплощадке нового небоскреба, обнаружим большую яму: строительство начинается с котлована, подземных этажей которого проектируют в любом здании, даже самом высоком. Чтобы стенки котлована (высотой 5−10 и более метров) не обрушились, возводят ограждения из шпунтовых свай или «стены в грунте». На дне котлована бурят скважины под сваи и заливают плиту – опору небоскреба.