Инженерно-геологические изыскания для высотного строительства: зарубежный опыт и его применение в условиях г. Москвы

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ ВЫСОТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА: ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В УСЛОВИЯХ Г. МОСКВЫ

Р.Ю. Жидков

РГГРУ им. С. Орджоникидзе

В статье производится обзор мирового опыта инженерно-геологических изысканий для высотного строительства с позиции применения этих знаний в условиях территории г. Москвы.

This article reviews the global experience in the field of engineering-geological investigations for the high-rise buildings from the point of view of application of this knowledge in the Moscow conditions.

На сегодняшний день строительство зданий повышенной высотности в России и, в первую очередь в Москве, является одним из наиболее актуальных направлений градостроительной политики. Между тем, активная деятельность в этом направлении происходит после более чем 30-летнего перерыва, причем высотность современных комплексов часто в разы превышает параметры сооружений тех лет. Инженерно-геологические изыскания для такого рода сооружений имеют ряд особенностей, связанных с повышенными и неравномерными нагрузками на фундаменты, глубоким их заложением, применением специальных инженерных разработок и т.д. Отсутствие опыта проведения изысканий и геологического сопровождения проектирования необходимо компенсировать изучением материалов исследований, проведенных в других странах.

Высотное строительство зародилось и получило свое развитие в США в конце XIX в. Важными предпосылками для этого стали такие конструктивные разработки, как замена чугунного каркаса зданий более легким и практичным стальным, появление первых лифтов, внедрение электрического освещения и применение систем электровентиляции. В 1883 г в Чикаго было построено здание «Хоум Иншуранс Билдинг» - сооружение высотой 55 м, которое принято считать первым высотным зданием в истории. Впоследствии произошел постепенный переход от высоких офисных блоков к башням, повлекший за собой значительное увеличение высотности сооружений. 381-метровое здание «Эмпайр Стэйт Билдинг» на протяжении более 40 лет оставалось высочайшим в мире.

Высотное строительство в Европе началось со значительным отставанием от США - только в конце 1950-х - начале 1960-х гг после того, как была произведена минимальная компенсация колоссальных утрат жилищного фонда, нанесенных Второй мировой войной. Со временем здесь сложился целостный европейский подход к высотной застройке в крупных городах. Принципиальные его особенности - сочетание административных или гостиничных зданий с жилыми домами средней этажности, отказ от высотного строительства в исторической зоне городов. Единственный пример однофункцио-нальной высотной застройки в историческом районе города - деловой центр во Франк-фурте-на-Майне, исторически сложившемся общеевропейском финансовом центре, получившем значительные разрушения во время Второй мировой войны.

Начиная с 1970-х гг., в связи с развитием технологий сейсмоустойчивого проектирования, высотное строительство получило развитие в Японии, где данная градостроительная тенденция особо актуальна в связи с критическим дефицитом места. В 1990-х гг. в свете бурного экономического развития азиатских стран началось активное строительство небоскребов в ОАЭ, Китае, Сингапуре, Гонконге.

Как уже говорилось, вплоть до середины XX в США, а именно такие города, как Чикаго, Нью-Йорк и Филадельфия были законодателями и монополистами в области высотного строительства. В рамках истории американского небоскребостроения был накоплен колоссальный опыт, однако с точки зрения инженерно-геологических изыскания в московских условиях он, к сожалению, малоприменим в связи с принципиальными различиями в приповерхностном геологическом строении. Основанием для высотных сооружений в этих городах служат надежные скальные породы кристаллического фундамента, физико-механические свойства которых позволяют возводить сооружения, оказывающие значительные нагрузки на фундамент сооружения, не опасаясь чрезмерных или неравномерных осадок.

Интересен опыт изысканий для строительства небоскребов в азиатских странах. Дубайская башня по проекту представляет собой 164-этажное высотное здание с 4-6-этажной стилобатной частью вокруг него, отведенной под гаражи. На сегодняшний день сооружение достигло своей проектной высоты - 818 м и является крупнейшим в мире зданием. Основанием башни служит 3,7 метровая плита на буронабивных сваях 1,5-метрового диаметра, устроенных на 50 м ниже основания фундаментной плиты. Разработкой проекта башни и инженерно-геологическим его сопровождением занимались крупнейшие организации из Великобритании, США и Австралии.

Геологическое строение района работ характеризуется преимущественным распространением в приповерхностной части отложений голоценового и позднеплейсто-ценового возраста, в том числе эоловых песков, эвапоритовых отложений и песков морского генезиса. Полевые работы проводились в 2003 г. в несколько этапов и включали в себя бурение скважин глубиной от 60 до 140 м , проведение испытаний динамическим зондированием, прессиометрических опытов, установку скважинных пьезометров, геофизические исследования, лабораторные испытания. Геофизические исследования заключались в проведении наземных сейсморазведочных работ, вертикального сейсмического профилирования и межскважинной сейсмической томографии. Программа лабораторных исследований включала в себя как стандартные испытания физических, физико-механических и химических свойств пород, так и дополнительные исследования, в том числе прочность на трехосное сжатие, недренированные циклические испытания на трехосное сжатие, простой срез, срез с постоянной нормальной жесткостью.

Геологические условия территории строительства характеризуются субгоризонтальным залеганием слоев горных пород, объединенных в несколько комплексов, состав которых значительно варьируется в зависимости от условий осадконакопления. Иловатые пески морского генезиса, от средней рыхлости до рыхлых, переходят в песчаники с прослоями песков, гипсовых тонкозернистых песчаников, конгломератов и шламовых известняков.

Подземные воды на участке строительства залегают достаточно близко от поверхности и, по результатам исследований, уровень грунтовых вод был зафиксирован в среднем на глубине заложения фундамента (2,5 м от поверхности земли). Результа-

ты химического состава грунтовых вод показали крайне высокую их минерализацию - концентрация хлоридов и сульфатов в них превышала содержание этих солей в морской воде (4,5% и 0,6% соответственно), что обуславливало очень высокую коррозионную активность по отношению к плитно-свайному фундаменту. В связи с этим был разработан комплекс антикоррозионных мероприятий, таких как изоляция бетонных конструкций с помощью водонепроницаемого материала, добавление в бетонную смесь препятствующих коррозии реагентов, применение электрохимических способов защиты. [7].

С целью прогноза взаимодействия основания башни с геологической средой было выполнено компьютерное геомеханическое конечноэлементное моделирование. При этом параллельно было использовано несколько альтернативных программных продуктов для корректировки результатов исследования. Моделирование показало, что максимальное прогнозное значение осадки под фундаментом здания в долгосрочной перспективе может составить 80 мм, причем эта величина плавно уменьшается от центра к краям участка, что удовлетворяло требованиям проектирующей организации. На момент постройки 135-го этажа здания средняя величина осадки под фундаментной плитой по данным инструментального мониторинга составляла 30 мм [6].

Петронас - комплекс небоскребов, состоящий из двух башен, расположенный в столице Малайзии Куала-Лумпуре. Строительство башен велось с 1992-го по 1996-й гг. Геологические условия участка строительства характеризуются залеганием в приповерхностной зоне под чехлом аллювиальных отложений пород пермско-каменноуголь-ного возраста, относящихся к Кенни-Хиллской свите, представленных сильновыветре-лыми песчаниками и аргиллитами. Их подстилают закарстованные известняки, силур-ского возраста, относящиеся к Куала-Лумпурской свите. Непосредственно в месте расположения высотного строения силурские отложения размыты, причем глубина размыва варьируется от 50 до более чем 200 м. Несмотря на крайне сложные инженерно-геологические условия, по итогам исследований, с учетом результатов геомеханического моделирования был разработан проект фундамента сооружения, полностью удовлетворяющий требованиям технического задания, при условия проведения комплекса мер по закреплению грунтов в основании проектируемого здания. Фундамент здания представляет собой плиту, устроенную на барреттах прямоугольной формы, длина которых варьируется в интервале 30-60 м. По данным инструментального мониторинга, на сегодняшний день максимальная осадка здания составила 12 мм [5].

Как уже упоминалось, среди европейских стран флагманом высотного строительства является немецкий город Франкфурт-на-Майне - деловая столица Европы. Тематике проектирования и инженерно-геологического сопровождения строительства небоскребов в деловом центре Франкфурта посвящено немало публикаций, по большей части авторства Рольфа Катценбаха - доктора наук, профессора, директора НИИ геотехники и Технического университета города Дармштадт, под руководством которого осуществлялось техническое сопровождение всех высотных проектов Германии.

Геологическое строение города Франкфурт-на-Майне характеризуется моноклинальным залеганием горных пород в западно-северо-западном направлении. До глубины 100 м это залегающие под покровом техногенных и четвертичных отложений, представленных песком и гравийно-галечниковым материалом, третичные породы - толща франкфуртской глины с прослоями известняка, и подстилающий ее франкфуртский кавернозный известняк.

Первое поколение высотных зданий было построено на плитных фундаментах мелкого заложения (толщина плит варьируется в пределах 2-4 м). При строительстве этих сооружений возник ряд трудностей, связанных с повышенными и неравномерными осадками. Так, например, величины наблюдаемых осадок двух 158-метровых башен Дойче банка составили в абсолютных значения от 10 до 22 см, разница осадок 12 см. Для уменьшения разницы осадок между высотными и малоэтажными частями зданий применялись специальные гидравлические устройства, установленные в несущих конструкциях в частях здания, граничащих с башнями и позволяющие корректировать осадку малоэтажных частей в пределах 8 см. Подобные же технологии использовались при строительстве Дрезденского банка и еще ряда зданий, возведенных на базе плитных фундаментов. В некоторых случаях по окончанию строительства вода в корректирующих подушках заменялась цементным раствором [3]. При строительстве ряда других высотных сооружений осуществлялась компенсация осадок с помощью установки балласта в подвальных этажах. Эта технология в частности была применена при строительстве здания Гарден-Тауэр [2]. Тем не менее, несмотря на сложность и новаторство этих технологий, желаемого результата их внедрение не принесло, и в скором времени они потеряли свою актуальность благодаря разработке комбинированных плитно-свайных фундаментов.

Впервые такой комбинированный фундамент был использован при строительстве здания Мессе-Торхаус в 1983-1985 гг. Необходимость применения принципиально новых технологий, минимизирующих значения осадок сооружения была продиктована расположением в непосредственной близости от проектируемого сооружения многоуровневой железнодорожной развязки. Фундамент здания представляет собой две отдельно стоящие плиты, каждая из которых имеет в плане габариты 17,5x24,5 м и располагается на 42 буронабивных сваях диаметром 0,9 м и длиной 20 м. Эффективная нагрузка, оказываемая на каждую плиту, составляет около 200 МН. Результаты геотехнического мониторинга, направленного на проверку эффективности новой технологии, показали, что лишь небольшая часть нагрузок передается на грунт через плиту. Кроме того, распределение нагрузок между сваями также происходило неравномерно, в частности, очень слабое нагружение получили внутренние сваи. Несмотря на то, что первостепенная цель применения плитно-свайного фундамента - снижение значений осадок по сравнению с плитным фундаментом была достигнута (максимальное абсолютное значение осадки здания составило 12 см), результаты проведенной программы геотехнического мониторинга показали необходимость усовершенствования разработки и проведения четкого геомеханического обоснования конфигурации плитно-свайного фундамента в каждом конкретном случае.

В 1991-м г. было построено здание Мессетурм, ставшее на тот момент высочайшим в Европе. Это 60-этажное сооружение высотой 256 м, имеющее в плане габариты 41x41 м. Общая нагрузка от здания составляет 1880 МН и расположено оно в северо-западной части Франкфурта-на-Майне в районе максимального распространения франкфуртских глин - мощность этой толщи под основанием сооружения составляет около 100 м, в связи с чем применение обычного свайного фундамента для этого проекта было практически невозможным.

Фундамент здания представляет собой плиту, расположенную на глубине 14 м, толщина которой варьируется в пределах 3-6 м, стоящую на 64-х массивных буронабивных сваях. Сваи под подошвой плиты образуют 3 концентрических круга, длина которых со-

ставляет от 27 до 35 м, увеличиваясь по мере приближения к центральной части здания. Как и в предыдущем случае, была реализована широкомасштабная программа геотехнического мониторинга. Измерительные приборы были установлены под плитой и внутри стволов свай. Результаты мониторинга показали, что нагрузки от здания были распределены приблизительно в равных пропорциях. Буронабивные сваи передают нагрузку на грунт в первую очередь через трение на боковой поверхности в нижней части свай.

Небоскреб Коммерцбанк-Тауэр, высота которого составляет 259 м, а со шпилем -около 300 м, до постройки в 2003 г в Москве здания Триумф-Палас оставался высочайшим в Европе. Башня расположена в юго-восточной части Франкфурта-на-Майне. Этот район характеризуется относительно близким к поверхности залеганием толщи франкфуртских известняков, на площадке строительства этого сооружения это 39-40 м. В непосредственной близости от проектируемого здания располагалось существующее высотное здание, принадлежащее тому же банку и построенное на базе плитного фундамента. Здание было построено на 111 сваях, задача которых была практически полностью перенести нагрузку от сооружения на относительно прочную толщу известняков. Были использованы телескопические сваи, диаметр которых составлял в верхней части 1,8 м, в нижней - 1,5, а длина варьировалась в интервале 37,6-45,6 м. Величина заглубления в толщу известняков составила около 9 м. Изучение геологического строения участка строительства при этих параметрах сооружения производилась более чем на 100 м. В ходе разработки конфигурации свайного фундамента применялся расчетный метод конечных элементов с использованием упруго-пластичной модели. С целью улучшения прочностных свойств кавернозных и трещиноватых известняков было проведено цементное инъецирование грунтов [2].

Анализ зарубежных публикаций, посвященных тематике высотного строительства, свидетельствует, прежде всего, о том, что при разработке проектов высотных зданий инженерно-геологические изыскания должны рассматриваться исключительно в комплексе с процессом проектирования фундаментного основания и разработкой программы геотехнического и гидрогеологического мониторинга на этапе строительства и эксплуатации сооружения. Разработка программы инженерно-геологических исследований должна производиться с позиций, прежде всего, сбора необходимых данных для построения прогнозных компьютерных моделей взаимодействия проектируемого сооружения с геологической средой и окружающей застройкой. Это могут быть специальные лабораторные и натурные испытания, направленные на решение конкретных задач, комплексные геофизические исследования. Изыскания, как правило, проводятся в несколько стадий, с обязательным уточнением и контролем результатов первых работ, иногда с пересмотром проекта на том или ином этапе. Также часто делается упор на особую роль при проектировании высотных сооружений изыскателя, который при строительстве таких уникальных сооружений должен выступать в роли эксперта-консультанта, сопровождающего проект, начиная с первых предпроектных разработок и заканчивая этапом эксплуатации здания и находиться в тесном взаимодействии с проектирующими и строительными организациями. Более того, в зарубежной практике процедура проведения инженерно-геологических изысканий никогда не рассматривается в отрыве от проектирования фундаментного основания. Весь процесс проведения исследований и расчетов, начиная с разработки программы полевых и лабораторных испытаний и заканчивая утверждения типа и конфигурации фундамента сооружения рассматривается как единый этап.

Литература

[ 1 ] Катценбах Р., Бахманн Г., Клаусе Ф. Пути оптимизации затрат при сооружении фундаментов высотных зданий в сложных грунтовых условиях.// Проблемы механики грунтов и фундамен-тостроения в сложных грунтовых условиях: труды Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию БашНИИстроя, Уфа, 3-5 окт., 2006. Т. 2. Фундаменты в сложных грунтовых условиях и противооползневые сооружения. - Уфа: БашНИИстрой, 2006

[2] Катценбах Р., Гоффман Г., Фоглер М., Гире И., Вахтер Ш. Надежность фундаментов высотных зданий. Опыт работы по обеспечению надежности и безопасности фундаментов высотных зданий на сжимаемых основаниях и на деформируемых горных породах//Строительный эксперт. - 2005. - №11.

[3] Катценбах Р., Шмитт А., Рамм X. Основные принципы проектирования и мониторинга высотных зданий Франкфурта-на-Майне. Случаи из практики//Реконструкция городов и геотехническое строительство. - 2005 - №9.

[4] Arslan U. Geotechnical Aspects of the Planning and Construction of High-rise-Buildings// 1st ZMTM Special Subject Symposium 08-09 November 2007, Istanbul University, Istanbul, Turkiye

[5] Baker N.B, Kiefer T, Nicoson S., Fahoum K. The Role of Peer Review in the Foundation Design of the World's Tallest Buildings//CTBUH 8th World Congress Proceedings - Dubai, 2008

[6] Baker W.F., Korista S., Novak L.C. Engineering the World's Tallest - Burj Dubai//CTBUH 8th World Congress Proceedings - Dubai, 2008

[7] Poulos H.G., Graham B. Foundation Design for the Burj Dubai - the world tallest building//Sixth international Conference on case histories in geotechnical engineering - Arlington, 2008

Ключевые слова: инженерная геология, инженерно-геологические изыскания, высотное строительство, подземное строительство, основания и фундаменты, геомеханическое моделирование, трехмерное моделирование, комбинированный плитно-свайный фундамент

Keywords: geotechnics, engineering geology, high-rise buildings, underground construction, bases and foundations, 3d-modelling, numerical analysis, CPRF

Статья представлена отвественным секретарем Редакционного совета «Вестника МГСУ» профессором д.т.н. А.Д.Потаповыгм