Конструктивные решения несущих остовов высотных зданий

Нормативная база для проектирования, строительства и эксплуатации остовов высотных зданий, сооружений и небоскребов

Важнейшим фактором в процессе формирования профессиональных знаний у обучающихся является четкое представление о форме и содержании конструктивного остова проектируемого высотного здания, сооружения или небоскреба. В целом конструктивные решения несущих остовов высотных зданий подразделяются на принципиально отличающиеся друг от друга конструктивные остовы подземной и надземной части.

Для расчета, проектирования и всесторонней оценки принимаемых конструктивных решений подземной части несущего остова высотных зданий в соответствии с обязательными нормативными требованиями ГОСТ [19, 23, 25, 27, 31, 32, 34, 40, 44, 46, 52, 57, 81], СП [113, 117, 118, 121, 208, 209, 210, 213, 216, 225, 226, 249, 263, 264, 267, 268], справочной литературы [150, 151, 152, 266] и специальной технической литературы [1, 2, 9, 94, 126, 130, 157, 162, 163, 165, 166, 179, 274, 276, 281] на предпроектной стадии производятся инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания.

Конструктивные решения по проектированию несущего остова надземной части многоэтажных и высотных зданий также принимаются в соответствии с обязательными нормативными требованиями ГОСТ [16, 20, 28, 40, 43, 45, 51, 52, 56, 59,], МГСН, СП, СТО [110, 113, 115, 117, 118, 119, 122, 210, 211, 213, 227, 230, 239, 244, 245, 246, 249, 259, 261, 263, 264, 265, 268, 269] и специальной технической литературы [5, 6, 7, 8, 10, 91, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 105, 108, 129, 130, 134, 163, 165, 179, 181, 266, 270].

Инженерно-геологические изыскания при строительстве высотных зданий

При проектировании высотных зданий и сооружений на его предпроектной стадии выполняется комплекс инженерно-геологических изысканий с целью проведения оценки инженерно-геологических и гидрогеологических условий выделенной под проектируемое строительство площадки, оценки возможности осуществления строительства высотного здания на данной площадке, выбора типа фундаментов.

В соответствии с заданием на проектирование и техническим заданием на проведение комплексных изысканий на стадиях «проект» и «рабочая документация» выполняются детальные инженерно-геологические изыскания. По результатам комплекса полевых исследований грунтов в пределах активной зоны основания под фундаментами высотного здания, а также зоны влияния на прилегающую территорию составляется отчет об инженерно-геологических изысканиях. Отчет об инженерно-геологических изысканиях содержит данные, необходимые для обоснованного выбора типа и размеров фундаментов, габариты несущих конструкций подземных частей высотного здания с учетом прогноза изменений инженерно-геологических и гидрогеологических условий и возможности развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов (в период строительства и эксплуатации объектов), а также необходимые данные для оценки влияния строительства высотного здания на окружающую застройку. Принципиальные графические изображения, дающие представление о способах, методах, оформлении результатов изысканий и их использовании при проектировании фундаментов, приведены на рис. 3.1.

Современные высотные здания проектируются и возводятся с развитой подземной частью, имеющей несколько подземных этажей и расширенную по горизонтали стилобатную часть здания. В этом случае программа инженерно-геологических изысканий включает дополнительные требования с учетом особенностей, предъявляемых к изысканиям для подземных и заглубленных сооружений, с учетом развития напряжений в массиве грунта под различными типами фундаментов [267, 274].

Часть полевых исследований грунтов основания (зондирование) (рис. 3.2), испытание грунтов штампами (рис. 3.3), прессиометри- ческие испытания грунтов основания (рис. 3.4) для высотных зданий со значительной глубиной котлованов осуществляется с отметки дна котлована, что позволяет полноценно и с высокой степенью экономической целесообразности оценить всю сжимаемую толщу под подошвой свайных и плитных фундаментов.

Важнейшими механическими характеристиками грунтовых оснований, оценивающими прочностные свойства грунтов, являются угол внутреннего трения ф и удельное сцепление с. Наиболее достоверные результаты значений «ф» и «с» получают экспериментально в полевых условиях в результате проведения испытаний грунтов на срез «целиков».

Рис. 3.1. Схемы к результатам топогеодезических и инженерно-геологических изысканий строительной площадки высотного здания:

а — план строительной площадки с обозначением горизонталей и нанесенными контурами проектируемых зданий и мест расположения инженерно-геологических выработок (скважин); б — инженерногеологические разрезы, совмещенные с разрезами по фундаментам (источник: архив автора)

Рис. 3.2. Исследование грунтов методами статического и динамического зондирования [274]:

а — комбинированная установка НИИОСП; б — мобильная установка на базе автомобиля; в — диаграмма статического зондирования песчаных грунтов по глубине массива грунта основания

Рис. 3.3. Схема установок для испытания грунтов на сжимаемость при помощи штампов статическими вдавливающими нагрузками [274]:

а — со дна котлована, где 1 — анкерные сваи; 2 — гидравлический домкрат; 3 — металлический жесткий штамп расчетной площади; 4 — упорная сальная балка; б — в скважинах, где 5 — обсадная труба со штампом; 6 — пригруз на штамп; в — график зависимости осадки штампа S мм от величины внешнего давления Р, кН, S - / (Р), где 1 — в слабых грунтах;

2,3,4 — в надежных грунтах; 5 — в грунтах повышенной несущей способности

Рис. 3.4. Схема полевых испытаний грунтов на сжимаемость в скважинах при помощи прессиометра [274]:

а — прессиометр, где 1 — резиновая камера; 2 — скважина; 3 — шланг;

4 — баллон сжатого воздуха; 5 — измерительное устройство; б — график зависимости Д_г, = /(Р), деформаций стенок скважины А_п мм от давления Р, МПа

Различные схемы полевых исследований для определения прочностных характеристик нескальных грунтов и графики зависимости т = /(р), построенные по результатам испытаний грунтов на сдвиг, приведены на рис. 3.5—3.6.

Рис 3.5. Схемы к полевым испытаниям «целиков» грунта на сдвиг [276]:

а, б, в: 1 — груз; 2 — упорная балка; 3 — тележка; 4 — динамометр;

• 5 — домкрат; 6 — штампы; 7 — целик грунта; 8 — упор; 9 — массив грунта;
• 10 — поверхность сдвига

Рис. 3.6. Графики испытаний грунтов на сдвиг [276]:

а, б — для песчаных грунтов; в, г — для глинистых грунтов

В соответствии со специальной программой, составляемой на предпроектной стадии, в комплексе инженерно-геологических изысканий выполняются опытные геотехнические работы, состав и объем которых определяется индивидуально в соответствии с требованиями справочных, нормативных и руководящих документов [19, 23, 25, 27, 31, 46, 113, 117, 141, 147, 208, 209, 214, 216, 224, 263, 264, 281]. Применение конструкций свайных фундаментов (СФ) или комбинированных свайно-плитных фундаментов (КСПФ) для высотных зданий предопределяет проведение испытаний свай статическими нагрузками [81, 94, 125, 128, 150, 169].

В условиях плотной городской застройки возведению высотного здания предшествует инженерное обследование грунтов основания и фундаментов существующих зданий и сооружений, попадающих в зону влияния высотного строительства. Производится прогноз изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового массива и гидрогеологического режима подземных вод.

В составе комплекта проектной документации разрабатывается раздел «Геотехнический мониторинг высотного здания», включающий проведение мониторинга компонентов геодезической среды и, в первую очередь, опасных геологических и инженерно-геологических процессов и динамики изменения подземных вод. На всех этапах проведения инженерно-геологических изысканий для высотных зданий в обязательном порядке проводятся геофизические исследования вместе с другими видами инженерно-геологических изысканий. Начиная с этапа предварительной оценки площадки строительства осуществляется геотехническая экспертиза [263, 265].

Нагрузки, передаваемые на грунты основания от высотных зданий, значительно превышают нагрузки от обычных зданий и сооружений. Поэтому при проектировании подземной части высотных зданий используется современная актуализированная нормативная база, отечественный и зарубежный опыт строительства, апробированные инженерные методики и численные пространственные расчеты в нелинейной постановке. Большое внимание уделяется выбору типа и конструкции фундамента, определению основных параметров фундаментной конструкции и подземной части высотного здания.

На основании технико-экономического и сопоставительного анализа производится привязка высотного здания к местным условиям. Практика проектирования, возведения и эксплуатации высотных зданий позволила выработать основные тенденции при проектировании, позволяющие обеспечить прогнозируемую расчетами абсолютную осадку, включая осадку во времени; ограничение ее неравномерности; общую устойчивость грунта основания; требуемую надежность, прочность и устойчивость системы «основание — фундамент — здание» с оптимизацией условий взаимодействия здания с основанием.

Основными решениями оптимизации условий взаимодействия конструкций фундамента высотного здания с основанием считаются: устройство одного или нескольких подземных этажей; использование таких конструктивных решений фундаментов, реализация которых ведет к уменьшению или исключению эксцентриситета приложения нагрузок на основание и фундаменты здания; устройство вокруг подземной части здания надземных стилобатных сооружений и т. д.).

Важным этапом для правильной геотехнической оценки грунтов основания под высотными зданиями является процесс составления достоверной расчетной схемы (плоская постановка задачи) или пространственной модели (пространственная постановка задачи). А также расчет, выполняемый численными методами с использованием современных лицензированных программных расчетных комплексов, например «Плаксис».

В плоской постановке численные расчеты основания, фундаментов и подземных частей высотного здания производятся для характерных сечений здания в случаях, когда возможна соответствующая схематизация принятой расчетной модели. В случаях, когда высотное здание имеет сложную геометрию конструктивного объема здания в плане и по высоте, значительные по величине внецентренные нагрузки, существенную неоднородность строения и свойств грунтов основания и др., расчеты выполняют в пространственной постановке.

В тех случаях, когда на предварительных этапах расчета и проектирования выявлено, что условия работы основания высотного здания близки к предельным значениям, производятся геотехнические расчеты, которые выполняются с учетом совместного взаимодействия конструкций высотного здания и основания; геометрической и физической нелинейности; неоднородности, анизотропии, пластических и реологических свойств грунтов оснований и материалов конструкций; развития областей пластических деформаций в основании; последовательности и технологии возведения высотного здания.

Из условия обеспечения требуемой прочности, длительной эксплуатационной пригодности и экономической целесообразности для фундаментов высотных зданий применяется бетон класса не ниже В25. Под плитными фундаментами высотных зданий предусматривается бетонная подготовка из тяжелого бетона класса не ниже В10, толщиной, принимаемой в зависимости от инженерно-геологических условий и методов производства работ, но не менее 150 мм.