Последние достижения в области фундаментостроения высотных зданий на сжимаемом основании

1/2006

ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ НА СЖИМАЕМОМ ОСНОВАНИИ

Рольф Катценбах Технический университет г. Дармштадта

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящей статье дается краткое изложение лекции доктора технических наук, профессора РКат-ценбаха, которую он прочитал 29 апреля 2005 года в зале Ученого Совета МГСУ на очередном 89-ом Международном Московском семинаре по теоретическим и прикладным проблемам современной механики грунтов при МГСУ, руководимый профессором, доктором технических наук З.Г. Тер-Мартиросяном.

Профессор Р. Катценбах является заведующим кафедрой, научно-исследовательским институтом и лабораторией геотехники Технического университета г. Дармштадт (ТУД), партнером инженерного бюро ООО «Профессор доктор технических наук Катценбах» во Франк-фурте-на-Майне, председателем технического комитета МОМГГиФ и членом правления «DIN».

Геотехническое и научное сопровождение многих проектов строительства высотных зданий, проводимое под руководством профессора РКатценбаха позволили разработать и внедрить в инженерную практику последние достижения в области теоретической и прикладной ме-

ханики грунтов, технологии строительного производства фундаментов глубокого заложения, устраиваемых в слабых горных породах, а также мониторинга и методику крупномасштабных испытаний свай. В результате были спроектированы и осуществлены оригинальные и экономически эффективные конструкции фундаментов глубокого заложения многих высотных зданий, возведенные в Германии, в том числе и самого высокого здания в Европе -здания Коммерцбанка во Франкфур-те-на-Майне высотой 300 м.

Профессор РКатценбах любезно принял наше приглашение прочитать лекцию о последних достижениях в области фундаментостро-ения высотных зданий, возводимые на сжимаемом основании на постоянно действующем ежемесячном Московском Международном семинаре по теоретическим и прикладным проблемам современной механики грунтов при МГСУ. После чтения лекции он передал участникам семинара (более 100 специалистов из различных организаций г Москвы) - записанный на СД демонстрационный материал своей лекции.

Это позволило мне составить краткое изложение содержания его лекции. Содержание лекции изложено в двух частях. В первой части изложена текстовая часть, а во второй -графическая. Это обусловлено большим количеством демонстрационного материала. Ссылки на рисунки и фото во второй части приводятся в тексте первой части лекции, что может вызвать некоторое неудобство для читателя.

Перед началом семинара профессор Р.Катценбах был принят проректором МГСУ по научной работе доктором технических наук, профессором Король Е.А. и проректором по иностранными связями МГСУ, профессором Жихаревым Ф.К. Состоялось краткое совещание при участии руководителя семинара профессора З.Г. Тер-Мартиросяна и ученого секретаря семинара профессора Крыжановского А.Л. Обсуждались вопросы перспектива сотрудничества между МГСУ и ТУД и был подписан договор о сотрудничестве между двумя университетами в области науки и образования. В совещании в качестве переводчика участвовала дипломница кафедры МГрОиФ МГСУ, стажер ТУД Куз-мина Александра. Предисловие составил: руководитель семинара заведующий кафедрой Механики грунтов, оснований и фундаментов, академик АВН и Нью-Йоркской АН, заслуженный деятель науки РФ профессор, д.т.н. З.Г.Тер-Мартиро-

сян.

лекции

Краткое содержание профессора РКатценбаха

«Прежде всего я хотел бы выразить благодарность профессору, д.т.н. З.Г. Тер-Мартиросяну за приглашение на кафедру МГрОиФ МГСУ для чтения лекции на этом

семинаре. Это большая честь для меня представить на Ваше рассмотрение результаты наших исследований для разработки фундаментов высотных зданий.

Уважаемые коллеги! Позвольте мне зачитать приветствие Президента Технического Университета г. Дармштадт, доктора технических наук, профессора Йоханна Дитриха Вернера коллегам МГСУ

«Уважаемые коллеги! Я, как Президент Технического Университета города Дармштадт очень рад интенсификации контактов между Московским Государственным Строительным Университетом и Техническим Университетом города Дармштадт. И особенно я поддерживаю инициативу моего коллеги профессора Кат-ценбаха наладить в дальнейшем совместную работу. Являясь профессором в области статических расчетов и одновременно представителем органов строительного надзора, я очень интересуюсь развитием строительства в городе Москве. В связи с этим, я думаю, для Вас будут очень интересны наши исследования в области стеклянных конструкций, особенно стеклянных фасадов и большепролетных стеклянных покрытий. Я практически уверен в том, что вскоре МГСУ станет университетом-партнером для ТУД (рис. 1).»

Моя лекция состоит из семи разделов:

- Общие сведения;

- Определение физико-механических свойств грунтов основания;

- Комбинированные плитно-свайные фундаменты (КПСФ);

- Фундаменты на кавернозном франкфуртском известняке;

- Мониторинги в процессе строительства в период эксплуатации зданий;

Рис.1

Рис. 2

Вид на европейскую столицу банков и высотных зданий Франкфурт-на-Майне

Skyline оf Frankfurt am Main

- Предписание органов надзора;

- Современные масштабные испытания свай, устраиваемых в слабых горных породах».

1. Общие сведения.

Строительство зданий высотой от 100 до 300 метров во Франкфур-те-на-Майне (рис.2) велось в сложных инженерно-геологических условиях, обусловленных сжимаемым основанием (рис. 3). Основные проблемы при высотном строительстве на сжимаемом основании являются:

- осадки, разность осадок и крен фундаментов, который не должен превышать 0,001;

- максимальная осадка не ограничена и определяется из условия эксплуатации зданий;

- достоверная оценка инженерно-геологических условий строительной площадки;

- выбор и расчетно-теоретиче-ское обоснование конструкции фундамента в соответствии с инженерно-геологическими условиями и стесненных условий городской территории;

- мониторинг в процессе строительства и в период эксплуатации зданий;

Рис.3

- обеспечение выполнения предписаний органов надзора.

На рисунках 4,5,6 и 7 представлены общий вид и разрез высотных зданий включая подземные части.

2.Определение физико-механических свойств грунтов оснований высотных зданий.

Для изучения инженерно-геологических условий строительной площадки и определения характеристик грунтов оснований на участке застройки и прилегающей территории бурятся 10-20 скважин, глубиной 50-100 метров. Как минимум по-

Рис. 5

ловина скважин оборудуются измерительной техникой на нескольких уровнях. Лабораторные исследования грунтов проводятся на стаби-лометрах (приборах симметричного трехосного сжатия). Все документы, оценивающие надежность основания и несущей конструкции, проверяются по поручению строительного надзора независимыми, официальными экспертами по смыслу так называемого «принципа четырех глаз».

Согласно Европейским нормам (ЕС-7), части второй, приложения в при строительстве высотных зданий рекомендуется исследовать грунты основания на глубину не менее 7а (рис. 8,9,10). На рис. 10 представлены характерные результаты трехосных испытаний различных грунтов, отобранные из разных районов строительства в Германии. На рис. 11 показан общий вид лаборатории трехосных испытаний при кафедре геотехники ТУД.

Однако результаты трехосных испытаний недостаточны для принятия окончательных проектных решений. Необходимо учитывать также опыт проектирования высот-

Рис. 6

Рис. 7

ного строительства и современным формационных свойств грунтов ос-

достижения прикладной механики нования по глубине 2 (рис.12), опре-

грунтов. В частности при выборе деляемое зависимостью вида расчетной модели основания следу- е^) _Е ^ + ) т

ет учитывать влияние исходного

(природного) напряженного состоя- где а - коэффициент неоднород-

ния, а также неоднородность де- нос™.

Рис. 8

О

Б.

га> 1,0 • Ьо га>5,0 т га>10 -Бр

Рис. 9

Фундаменты выиш ных зданий на млас! и чнон франкфургеюэй глиае Роииёайсй»о{к1§Ь-К1ас ВиЛЛп^» 1п ь^ПМ^ю1! 5оЯ ГгалкДШ С1ау

0 12 3

*— С1ау [РгяпкГш1 ил Маш)

— Маг1

— ВчшЫопс

— Коску Маг!

— ОфйЙйирег ¡ЗйЩ£аг1)

Рис. 10

Рис.11

В этом случае осадка основания фундаментов мелкого заложения определяется методом суммирования, т. е. по формуле

5 =

Е( г )"

В случаях фундаментов глубокого заложения высотных зданий осадка и разность осадок определяется по результатам численного моделирования МКЭ напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтов основания с учетом их нелинейного деформирования и взаимодействия с конструкциями плитного и плитно-свайного фундамента. Нелинейные свойства грунтов описывался упруго-пластической моделью Друккера-Прагера, кото-

рая предполагает существование поверхности нагружения (рис.13) и поверхности разрушения.

3. Комбинированные плитно-свайные фундаменты (КПСФ).

На основании, всесторонних и исследований, и разработок ТУД для зданий высотой от 200 до 300 м. используются КПСФ, что позволяет часть нагрузки передавать на более глубокие и плотные слои. Кроме того, по мере роста нагрузки на фундамент и развития осадки плиты возрастает боковое давление грунтов в межсвайном пространстве и это приводит к росту несущей способности свай.

Концепция распределения нагрузок между плитой и сваями в КПСФ представлена на рис. 14 и 15. Учет исходного НДС грунтов основания и перемещений свай оказывают существенное влияние на характер кривой распределения трения по боковой поверхности свай. В случае одиночной сваи и сваи с плитой закономерности распределения трения по боковой поверхности существенно отличаются друг от друга (рис.17). В тоже время распределение осевого усилия с глубиной не меняется (рис.18).

В КПСФ с большим количеством свай распределение нагрузок между плитой и сваями в центральной и периферийной частях плиты существенно отличаются от свайного фундамента без плит. Периферийной части плиты сваи несут большие нагрузки, чем в центральной части (рис.19), причем эта закономерность зависит от относительного расстояния между сваями (рис. 20,21).

В связи со сложностью передачи нагрузки все комбинированные плитно-свайные фундаменты находятся под постоянным техническим контролем в соответствии с требо-

Рис. 15

Рис. 14

Рис. 16

Рис. 17

Рис. 18

Дальнейшие ве с ледова в в я Advanced Studies l oad Settlement Belmviuur

fc[MN] R. [MM1

10 20 0 ID 20 0

RIMH]

10 id

I eV) ------

и ii

i

R|MN] R[№| R[MN]

0 10 10 0 10 20 0 10 20

CPRF „Ю e = 3 • D 1

30

i

\m V

— 10 46 20 30

V

E

И

I"

30

' i

M s \ f

1 i i i V

M: Ccmre Pile E: Edge Pile C: Comer Pile S: Single

Рис. 19

дальнейшие исследования Advanced Studies Load Settlement Behaviour

Pile Foundation 7.

Ш

20

—— >

V

4

10

20

10 30

\

4е

V

Л

Ы

R[MN] R [MN| R [MN|

0 10 20 0 10 20 0 10

CPRF

e = 6- D J.

"aii

.10

mV

30

V

\

M\lЕ

Л

.10

6

M: (Tiinirc Pile H-.KdscPiIt (7: Comer Pile S: Single

Рис. 20

РИС. 21

Рис. 22

ваниями, содержащимися в разрешении на строительство, выдаваемом органами строительного надзора города Франкфурта-на-Майне. В соответствии с Европейскими нормами (геотехническая категория ОКЗ по еврокоду ЕС-7, часть 1), выполнение фундаментов высотных зданий подлежит измерительно-техническому сопровождению и контролю в соответствии со специальной методикой, которая представляет собой современный широкомасштабный процесс контроля сложнейших геотехнических ситуаций и состоит из: теоретической модели с прогнозом передачи нагрузки и осадки (теория); измерительно-технического наблюдения и контроля и приемки конкретных строительных работ (практика); принятия превентивных мер и мер по обеспечению безопасности в случае возникновения расхождений между теорией и практикой, влияющих на безопасность и надежность.

На рис. 21 представлены общий вид и поперечное сечение здания Мессе-турхаус во Франкфурте на Майне, которое опирается на КПСФ и на глинистом основании.

Графики распределения осевого усилия и трения по боковой поверхности свай расположенные в центральной и периферийных частях плиты представлены на рис. 24,25. Аналогичная картина наблюдается в КПСФ из 64 свай длиной 30 м. Под зданием Мессетурм во Франкфурте-на-Майне (рис. 23). Изолинии осадок плиты представлены на рис.26.

Следует отметить, что в этом случае первоначально предполагалось использовать 316 свай, длиной 30 м. в КПСФ вместо 64 свай. Учитывая стоимость одного погонного метра свай (400 Евро) экономия только на одном объекте составила более трех миллионов Евро.

Рис. 23

Рис. 25

Рис. 26

4. Фундаменты на кавернозном франкфуртском известняке

Самое высокое в настоящее время в Европе - здание Каммерц-банка во Франкфурте-на-Майне высотой 300 метров (рис.27) опирается на скальные грунты через КПСФ. Это позволило ограничить осадку здания в пределах 2 см. Это ограничение было обусловлено стесненными условиями городской территории и в частности близрасположен-ными зданиями, чтобы не оказывать на них влияние.

Такое ограничение удалось достичь благодаря цементации кавернозных известняков, модуль деформации которых был равен 630 МПа. Следует отметить, что модуль деформации образцов скальной породы был равен 20000 МПа, что намного превышало модуль деформации трещиноватого скального массива рис.28. На рис. 29 дан поперечный разрез КПСФ Каммерцбанка во Франкфурте-на-Майне и эпюра осадок фундаментов здания банка и прилагающего здания.

Коммсрцбанк ж» Фраикфур1е-иа-Шйие Расчет осадок

Determination aiModulus Е by testing rock samples Sampling depth

*

* . * '•У * • •i*

L* * -

—ё

0 16000 30000 ЗСШ>41ХЮ0 5QOOO Mffliuluj Dt'alaslicitv

0.010 0,008 Й.006 0.004 0.002 0

(1 10000 20000 3000040000 iOOOC

Modulus of alaslicity

Рис. 28

Рис. 29

5.Мониторинг.

Буронабивные сваи диаметром 1,8 м. и длиной более 40 м. в основании здания Камерцбанка подверглись ультразвуковому исследованию (рис. 30).

Всесторонний мониторинг был организован при строительстве и эксплуатации здания Майн-тауэр во Франкфурте-на-Майне высотой 199 м (рис. 31). На большинстве свай были установлены датчики для измерения усилий на головке на нижней части свай, а также по длине свай. Кроме того датчики были установлены для измерения напряжений в грунте и давление в по-ровой воде (рис.32,33). Показания более пятисот датчиков регистрировались из одного пункта управления (рис.34).

Такое всестороннее исследования НДС КПСФ связано с необходимостью обеспечения нормальных условий эксплуатации зданий и выполняется в соответствии с предписанием органов строительного надзора.

6. Предписание органов строительного надзора.

Этот орган выдает разрешение на строительство высотного здания после получения положительных результатов проверки ходатайства о разрешении на строительство, т.е. статических расчетов и соответствующих геотехнических экспертиз, а также после выполнения всех прочих условий для выдачи разрешения. Разрешение на строительство содержит строгие правила контроля строительных работ, которые предписывают соблюдения ряда требований, в том числе:

Э0012 - проверка строительных чертежей и общий конструктивный контроль строительного объекта должен производиться «проверяющим»

Рис. 30

Рис. 31

Рис. 32

Рис. 34

Рис. 33

инженером за счет заказчика. Проверяющий инженер должен быть поставлен в известность о начале строительства, а также о начале бетонных и монтажных работ на каждой захватке заранее за два рабочих дня;

Э0120 - разрешается производство лишь тех строительных конструкций, которые одобрены и разрешены к производству «проверяющим» инженером;

Э0140 - все конструктивные чертежи, включая чертежи армирования, должны быть своевременно, до начала строительных работ, предоставлены «проверяющему» инженеру;

Э2011 - монтаж металлоконструкций, соединяемых посредством сварки, и/или производство сварочных работ на строительной площадке разрешается осуществлять лишь предприятиям, имеющим соответствующие квалификацию и лицензию, и предоставившим последнюю строительному надзору;

Э3020 - контроль всех земляных работ, а также работ по ограждению котлована должен производиться экспертом в этой области. Расходы при этом несет заказчик.

Э3040 - 3,00 м грунта над подошвой фундамента должны быть разработаны лишь в том случае, если установлено, что в течение двух месяцев подошва фундамента или другая соответственно выполненная монолитная конструкция может использоваться как опора стенки котлована.

Э3050 - устройство анкеров, предназначенных для крепления стенок котлована, должно производиться при соблюдении соответствующих норм. Результат приемки работ должен быть представлен строительному надзору;

Э3060 - деформация крепления стенок котлована должна контролироваться соответствующими измерениями. Результат измерений должен быть представлен строительному надзору;

Э3070 - анкеры должны регулярно, через определенные интервалы времени, контролироваться. При надобности, проводиться повторное напряжение анкеров;

Э3090 - если по прошествии двух лет после установки анкеров прогресс строительных работ не

достиг той стадии, на которой стены здания могут служить опорой для крепления котлована, необходимо с точки зрения безопасности произвести обратную засыпку пазух котлована;

Э6010 - качество строительных материалов, предназначенных для бетонных и железобетонных конструкций, должно быть установлено согласно действующим нормам;

Э6030 - по требованию строительного надзора пригодность строительных материалов и конструкций должна быть установлена заказчиком. Строительный надзор и его уполномоченные имеют право на взятие проб строительных материалов и элементов, а также их проверку. Расходы при этом несет заказчик;

7РБ09 - перед началом производства работ соседние участки, находящиеся в районе влияния работ по креплению стенок котлована, должны быть проконтролированы на правильность и точность данных, указанных в плане: наличие на их территории зданий, а также наземных и подземных коммуникаций;

7РБ10 - требования и условия в контрольных отчетах «проверяющего» инженера должны быть соблюдены и выполнены;

7РБ11 - для предотвращения возможной опасности проведение каких-либо работ или испытаний, связанных с проникновением в грунт, не должно осуществляться прежде, чем строительный участок не будет исследован специалистами на наличие боевых снарядов и, при необходимости - очищен;

7РБ12 - расстояние по прямой между осями анкеров и верхней, а также нижней отметками трубопровода должно составлять не менее 1,50 м. Зоны инъекций должны быть настолько удалены от трубопрово-

да, чтобы исключить нанесение ущерба инфраструктуре водоотве-дения;

7РБ13 - начало работ по устройству анкеров осуществляется после заключения соответствующих соглашений с владельцами соседних участков, а также с организацией, управляющей сетью дорог;

7РБ14 - перед началом работ по устройству анкеров исследуется и документируется состояние окружающей застройки. Для проведения данного процесса, за приблизительно 6 недель до начала земляных и/или буровых работ, должно быть подано заявление в местную коммунальную службу водоотведения. Расходы при этом несет заявитель;

7РБ15 - после окончания работ нулевого цикла повторно исследуется и документируется состояние трубопровода;

У0050 - заказчик обязан перед принятием здания в эксплуатацию предоставить строительному надзору подтверждение прораба или начальника участка, которое удостоверяет, что производство работ было выполнено в соответствии с проектной документацией, а также требованиями и условиями, приведенными в выданном разрешении на строительство;

У0060 - подтверждение «проверяющего» инженера о том, что производство работ было проконтролировано и строительные материалы и конструкции соответствуют проверенной им документации;

У0100 - после производства бетонных работ подрядчик должен предоставить подтверждение о пригодности монолитного бетона. Пригодность бетона должна быть подтверждена заключением сертифицированной бетонной лаборатории о пределе прочности на сжатие.

Рис. 35

15

1_.оа<] [МЫ|

Рис. 36

/.Современные масштабные испытания свай, устраиваемых в слабых горных породах.

Испытания проводятся по системе Остерберга с помощью датчиков, установленные на арматуре (рис.35). Результаты испытаний представляют в виде кривых нагрузка- осадка (рис. 36,37), с указанием трения по боковой поверхности и в основании свай.

ПОСЛЕСЛОВИЕ

Профессор Тер-Мартиросян З.Г.:

«Разрешите поблагодарить профессора РКатценба-ха за интересный и содержательный доклад. Краткое изложение лекции профессора Р.Катценбаха дает определенное представление о масштабах научно-исследовательских и проектно-изыска-тельных работ, выполняемых на кафедре и в лаборатории геотехники ТУД, которые необходимы для обоснования проектных решений по выбору оптимальных и экономически эффективных конструкций высотных зданий, возводимых в Германии. Считаю, что сотрудничество МГСУ и ТУД по проблемам геотехнического обоснования и сопровождения проектов высотного строительства необходимо».

15

1,08!! [ММ| Рис. 37