Вместе к новым решениям!

Комбинированный свайно-плитный фундамент с применением баретт.

В.А. АДИКАЕВ, канд. техн. наук, исполнительный директор «MIRAX GROUP Украина»; Р. КАТЦЕНБЛХ, д-р техн. наук, директор института геотехники, Технический Университет (Дармштадт, Германия); О.М. ГЛЛИНСКИЙ, канд. техн. наук, директор НИИ Строительного Производства (Киев); Р.А. ДУНАЕВСКИЙ, генеральный директор ТОВ «Инженерное бюро профессора Катценбаха и партнеры — Украина» (Киев).

Рассмотрены вопросы проектирования и строительства первого комбинированного свайно-плитного фунда­мента с применением баретт в Киеве. В процессе проектирования проведены натурные испытания свай, а также моделирование их поведения при нагрузке и решение обратной задачи с помощью численных мето­дов. Показано, что благодаря использованным расчетам и мониторингу уменьшено необходимое количест­во баретт при устройстве комбинированого свайно-плитного фундамента. Результаты измерений в рамках программы комплексного мониторинга позволяют проектировать и возводить надежные и экономически вы­годные фундаменты для высотных зданий в будущем.

В начале 2007г. компания Mirax Group вышла на украинский рынок с проектом высотного многофункционального комплекса Mirax Plaza в центре Киева. В связи с высокой потребностью города в офисных зданиях класса «А» и в высококачественном жилье было принято решение о строительстве двух башен с торгово-развлекательным центром и паркингом в стилобатной части общей площадью 294тыс. м2.

 Рис. 1. Mirax Plaza Киев (а); макет б  возведение каркаса башни А.

Высота башен 192 м (46 эт.), что является проектом самого высокого здания в Украине. Высотные здания расположены у подножия 30-метрового склона. Торгово- развлекательный центр с паркингом врезается на 20 м в склон, на вершине которого расположены жилые здания с 6-9 наземными этажами. Для строительства паркинга и удержания склона предусматривается устройство подпорной стены из буронабивных свай вразрядку, закрепленных несколькими рядами анкеров в грунте (рис.1).

Проектирование проводилось компаниями OWC, Германия, и БИП-ПМ, Украина. Проект подземной части и фундаментов разрабатывался Инженерной ассоциацией профессора Катценбаха, Германия, и ее отделением в Украине.

Проект реализуется в рамках экспериментального высотного строительства и связан с внедрением многих новых строительных и инженерных технологий в Украине при научном сопровождении ведущих киевских институтов НИИ Строительного Производства и НИИ Строительных Конструкций.

Рис. 2. Посадка фундаментов комплекса и схематический инженерно-геологический разрез.

Участок строительства расположен на правом берегу Днепра, в пределах склона Приднепровской возвышенности, у подножия нижней части левого склона относительно молодой Глубочицкой балки. По долине Глубочицкой балки, по свидетельствам летописцев, протекала судоходная речка Глубочица - правый приток Днепра. На сегодняшний день речка Глубочица направлена по канализационному коллектору, а водотоки, стекающие вниз по склонам, зарегулированы в ливнестоки. Перепад абсолютных отметок дневной поверхности в пределах участка проектируемой застройки составляет более 30 м.

На разведанной глубине до 70 м встречены отложения четвертичной, неогеновой и палеогеновой систем. Характерный геологический разрез представлен на рис. 2.

Гидрогеологические условия на площадке изысканий характеризуются наличием двух водоносных горизонтов. Первый от поверхности безнапорный водоносный горизонт находится на 2 м ниже поверхности земли у подножия склона. Общее направление движения подземных вод - в сторону древнего тальвега Глубочицкой балки. Второй водоносный горизонт зафиксирован на глубине 36 м ниже поверхности земли у подножия склона. Инженерно-геологические условия строительной площадки относятся к третьей категории сложности, класс ответственности зданий I.

Строительство башни А велось ускоренными темпами, что обусловливало начало устройства котлована башни А до закрепления склона основной подпорной стеной. Таким образом, при расчете крепления котлована башни А глубиной 10 м у подножия склона учитывалось давление склона высотой 30 м. В рамках проекта котлована было предусмотрено устройство подпорной стены из буросекущихся свай с верхним рядом анкеров и устройством естественных откосов. Данное решение позволяло произвести устройство первой захватки фундаментной плиты под ядро жесткости здания в кратчайшие сроки. Для уменьшения гидростатического давления на стенки котлована было применено внешнее водопонижение. Влияние депрессивной воронки водопонижения на окружающую застройку, а также выбор режима водопонижения были оценены с помощью опытных откачек на площадке и последующего моделирования гидрогеологических условий.

Рис. 3. Котлован башни А в момент выемки откосов после устройства анкеров и монтажа распорной системы.

После устройства первой захватки фундаментной плиты была установлена распорная система из металлоконструкций. После их монтажа и закрепления естественные откосы внутри котлована вынимались и проводилось бетонирование последующих захваток фундаментной плиты (рис. 3).

В рамках первоначального проекта на территории мно­гофункционального комплекса Mirax Plaza было проведено четыре испытания свай, при этом проводилось два испытания статической вдавливающей нагрузкой и два испытания статической выдергивающей нагрузкой. На основе полученных результатов для расчета и оптимизации фундамента высотного здания методом конечных элементов была решена обратная задача. Исходя из данных инженерно-геологического отчета было рассчитано поведение свай при аналогичных статических нагрузках. На основании результатов решения обратной задачи становится очевидно, что значения модуля деформации грунта, определенные на основе лабораторных и полевых испытаний, значительно меньше фактических (рис. 4, кривая Е-1) и соответственно наблюдается значительно большая осадка, чем при проведенных испытаниях свай. При подстановке двойного значения модуля деформации для всех слоев грунта (рис. 4, кривая Е-2) наблюдается соответственно более жесткое поведение грунта. При подстановке 3-кратного значения модуля деформации Е для всех слоев грунта в результате расчетов получается незначительно меньшая величина осадки при максимальной нагрузке (8800 кН), чем при проведенном испытании.

Рис. 4. Осадки сваи при различных принимаемых параметрах грунта, наложенные на графики, полученные в результате испытаний.

В процессе решения обратной задачи наилучшее соот­ветствие было достигнуто при подстановке 1-кратного значения модуля деформации Е для верхних слоев грунта (до слоев киевской свиты) и 3-кратного значения модуля де­формации Е для нижних слоев киевской, бучаковской и каневской свит. Расчетное максимальное значение осадки совпадает с результатом испытания свай.

Вышеописанные расчеты и анализ были учтены в расчетах фундаментов башни А. Суммарные нагрузки на фундамент башни А составили около 2200 МН при площади фундаментной плиты около 2000 м2.

Для башни А предусмотрен фундамент глубокого зало­жения с использованием 64 баретт. Баретты имеют класси­ческие размеры сечения захватки стены в грунте 2,8X0,8 м и производятся по аналогичной технологии. Проектная длина баретт составила 33 м с заглублением в мелкие пески бучаковской и каневской свит. Ограждение котлована из буросекущихся свай в работу фундамента не вовлекалось.

Расчет проводился с помощью трехмерной модели ме­тодом конечных элементов, при этом моделировалась по­ловина фундамента и грунтового массива под ним (рис. 5). Моделирование проводилось на основе величин, полученных при решении обратной задачи, исходя из того, что величины, полученные при испытании сваи диаметром 0,82 м, применимы к бареттам размерами 2,8X0,8 м.

Ожидаемые осадки фундамента рассчитывались исходя из европейского опыта высотного строительства для нагрузки 85 % от суммы постоянных и распределенных нагрузок. Расчетные осадки находятся в диапазоне значений около 13,5 см на краю плиты и около 16 см в области ядра здания (рис. 6).

По результатам проведенных расчетов 88% нагрузок передается на баретты и 12% передается на грунтовый массив фундаментной плитой. Расчетные нагрузки на отдельные баретты находятся в диапазоне 22,1-44,5 МН. Нагрузка на краевые баретты согласно расчетам - 41,2-44,5 МН, что значительно выше нагрузок на внутренние баретты с максимальным значением 30,7 МН. Это соответствует типичному поведению крайних свай комбинированного свайно-плитного фундамента [1]. При расчете моделируется совместная работа свайно-плитного фундамента и напряженно-деформируемого состояния грунтового массива, отдельный расчет каждой сваи не проводится [2].

Рис. 5. Расчетная модель для расчета фундамента методом конечных элементов: а – фундамент; б - фундамент и грунты основания.

Расчетные значения давления под фундаментной плитой находятся в большинстве областей ниже 200 кН/м2 и достигают около 400 кН/м2 по краю высотного здания. Расчетное давление под подошвой для наружных баретт в среднем около 5100 кН/м2, а для внутренних баретт в среднем около 4130 кН/м2. На рис. 7 показано среднее распределение нагрузки по глубине для наружных и внутренних баретт.

Мобилизуемое по стволу баретты трение по боковой по­верхности возрастает с глубиной и достигает 180 кН/м2 для наружных баретт и 150 кН/м2 для внутренних баретт (рис. 8). Средние значения мобилизуемого трения по боковой пове­рхности по стволу баретты находятся в диапазоне около 135 кН/м2 для наружных баретт и около 75 кН/м2 для внутренних баретт. На абсолютной отметке около 90 м трение по боковой поверхности снова уменьшается из-за мобилизуемого сопротивления под нижним концом баретты. Проект и расчет фундамента был подтвержден дублирующим расчетом НИИ Строительных Конструкций (Киев).

В соответствии с практикой высотного строительства [1] было рекомендовано установить высотные отметки здания перед началом монтажа несущих конструкций на уровне 10 см. Высотное здание осядет во время строительства в течение первых двух лет эксплуатации примерно на это значение и, таким образом, достигнет проектного уровня высот.

При строительстве комплекса Mirax Plaza использовался метод наблюдений, предписываемый европейским нормативным документом EN 1997 EUROCODE 7 (ЕС7) Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik, Geotechnical design («Геотехника. Проектирование, расчеты, параметры») для самой сложной геотехничес­кой категории 3. В рамках проектирования и проведения строительства была предусмотрена обширная программа мониторинга, включающая постоянный геодезический контроль, контроль за уровнем грунтовых вод, а также инклинометрические измерения в склоне. Кроме того, в грунтовых анкерах были установлены измерительные приборы для контроля возникающих усилий. Все получен­ные в рамках измерений данные сверялись с проектными значениями и анализировались. Приобретенный опыт учитывался при строительстве других зданий комплекса.

Рис. 6. Результаты расчета осадок фундамента.

Для контроля устойчивости, эксплуатационной пригод­ности и проверки расчетов высотных зданий башен А и В в рамках проекта комбинированного свайно-плитного фунда­мента разработана отдельная программа мониторинга. Целью программы является замер натурного распределе­ния нагрузок между бареттами и фундаментной плитой. В общей сложности в области башни А было установлено 8 датчиков для измерения давления на различных уровнях. Три датчика давления были установлены под фундамент­ной плитой, чтобы измерять передаваемое на грунт напря­жение под подошвой плиты.

Кроме того, измерения проводятся для самой нагружен­ной внешней баретты и слабонагруженной баретты внутри ядра с помощью датчиков давления на уровне между фун­даментной плитой и оголовком баретты. Эти баретты также оснащены тензометрами по длине на трех измерительных уровнях. В области между ядром и наружными колоннами были установлены тензометры на арматуре, которые долж­ны контролировать напряжение внутри фундаментной пли­ты. Проект мониторинга и метода наблюдений разрабаты­вался совместно с НИИ Строительного Производства.

В рамках строительства комплекса Mirax Plaza в Киеве был получен уникальный опыт закрепления склона с по­мощью подпорных стен и анкеров в грунте, строительства комбинированного свайно-плитного фундамента и приме­нения комплексной программы мониторинга.

При расчете несущей способности баретт были приме­нены результаты испытания свай диаметром 0,82 м. В ре­зультате моделирования натурных испытаний свай полу­ченные данные о несущей способности киевских грунтов, в особенности киевской мергельной глины, а также песков каневской и бучаковской свит, подтверждают возможность восприятия более высоких нагрузок, чем это было принято по СНиП 2.02.03-85, и тем самым открывают новые воз­можности для расчета и оптимизации фундаментов глубо­кого заложения.

В настоящее время ведутся измерения, и после их ана­лиза будут получены более точные данные в области пове­дения комбинированных свайно-плитных фундаментов в киевских грунтах и проверено распределение нагрузок на баретты по глубине.

Рис. 7. Распределение нагрузок по глубине для наружных и внутренних баретт. Рис. 8. Расчетное среднее распределение трения по боковой поверхности для наружных и внутренних баретт.

Анализ результатов измерений и применение комплекс­ной программы мониторинга при высотном и других видах экспериментального строительства являются основопола­гающим фактором для усовершенствования знаний и тех­нологий при строительстве нового поколения высотных зданий Киева в будущем.

Список литературы

1.  Katzenbach R., Hoffmann Н., Vogler М., Moormann Ch. Costoptimized foundation systems of high-rise structures, based on the results of actual geotechnical research. // Proc. International Conference «Trends in Tall Building - Tendenzen im Hochhausbau», September 5-7. 2001, Frankfurt am Main, P. 421-443.

2. Ханиш Ю., Катценбах P., Кениг Г. Рекомендации по про­ектированию, расчету и устройству комбинированных свайно-плитных фундаментов (КСП). Эрнст&Зон, Бер­лин, 2001.

 

Задать вопрос
консультанту

+375 (17) 203-57-48

skype

bauma 2013

С 15 по 21 апреля 2013 г. в Мюнхене (Германия) пройдет 30-я Международная специализированная выставка строительной техники и оборудования, машин для производства строительных материалов, горнодобывающего оборудования.

Читать дальше>

EXPO REAL 2012

На протяжении уже более чем 20 лет в Мюнхене, Германия, ежегодно проводится Международная специализированная выставка коммерческой недвижимости и инвестиций Expo Real.

Читать дальше>