Свайная суперсила

Более 600 тысяч тонн на площади фундамента в 5700 квадратных метров… Вряд ли вы найдете в мире аналоги параметров петербургского «Лахта центра». Держать супертолл и супертяж помогают сваи. Непростые. Они не опираются, они — висят.

image

Стало не по себе? Не спешите обходить участок строительства по радиусу в 500 метров. Разберемся, как можно получить надёжную опору от того, что находится в «висячем» положении.

— А что, картошка? Ты думаешь, картошка — это так вот просто, сварил и съел? Не тут-то было! Из картошки знаешь, сколько можно блюд приготовить? А ну, считай: картошка жареная, отварная, пюре, картофель фри, картофель пай. Картофельные пирожки с мясом, с грибами и так далее. Картофельные оладьи, картофельная запеканка, картофель тушеный с черносливом, картофель тушеный с лавровым листом и с перцем, картофель молодой отварной с укропом, шаньги… (Х/ф «Девчата», 1961 г)


Я не случайно вспомнил этот отрывок из старого советского фильма. Как же ошибаются те, кто считает, что свая — это некий «столб», простой и безыскусный, как картофельный клубень. Сегодняшние сваи бесконечно далеко ушли от прадедов — деревянных бревен. Они могут быть бетонными, стальными, железобетонными, комбинированными — по материалам. Забивными, вдавливаемыми, вкручиваемыми, буровыми, набивными, буронабивными — по способу, которым они попадают в грунт. Их могут сделать заранее и погрузить в шахту или изготовить прямо в ней. По методу работы свая может быть висячей или опорой- стойкой. Современная свая — само по себе искусное инженерное сооружение.

image
А можно еще так. 1988 г. Экспериментальный способ доставки свай в грунт — «застреливание», в данном примере — сквозь воду. Армейское орудие перепрофилировано для строительных целей. Глубина забивки увеличена в 2–2,5 раза за один выстрел в «в сравнении с иным использованием той же энергии».
Источник.

А теперь еще усложним задачу — сваи работают в группе — свайном поле. В рамках поля свайные параметры могут меняться. Рецептуру поля прописывают геотехники — свою, в каждом отдельно взятом случае. В случае башни «Лахта центра» — уникального сооружения в грунтовых условиях третьей, самой сложной категории — эта рецептура составлена виртуозно.

image
Туман над свайным полем «Лахта центра». 2013 г

А НУЖНЫ ЛИ СВАИ?


При всей очевидности ответа, он не очевиден. Высотные здания в принципе могут обойтись и без них. Пока несостоявшийся петербургский небоскреб Ingria Tower (165 м), который должны возводить на Поклонной горе, по проекту не имеет свай — только плиту. Конечно, не от хорошей жизни: под землей в этом месте проходит зона влияния тоннелей метро. Тем не менее, расчеты компании подтверждали надежность конструкции, впоследствии решение одобрила «Главгосэкспертиза».

image
Проект строительства не получил согласования «Госстройнадзора». Не из-за свай. Причина — несоответствие Градплану и «лишний» подземный этаж. Авторы проекта — «Архитектурная мастерская Царицына». Фотоисточник

Может, и в «Лахта центре» обойтись без свай? Просто сделать плиту помощнее да поглубже?
Первое, что делают геотехники, получив результаты подземных изысканий — отвечают на этот вопрос. Вердикт однозначен — строительство на естественном основании для «Лахта центра» невозможно. Опорные слои — вендские глины, расположены слишком глубоко. Как не заглубляй фундаментную плиту, до них все равно далеко.
Даже если бы опорный слой был близко — без свай не обойтись. На то есть причина.

ЧЕГО БОЯТСЯ ГЕОТЕХНИКИ


Любое здание дает осадку. Механику процесса легко представить — вы садитесь на диван и продавливаете подушку.

image
Здание и грунт работают также

Сама по себе осадка не представляет угрозы. Проблемы начинаются только когда она проходит неравномерно. Страшный сон любого геотехника — это крен или прогиб фундамента до закритического состояния.
В случае супертолла ставки растут. Не только из-за высоты башни.
В «Лахта центре», как в большинстве современных небоскребов, основной элемент системы устойчивости — ядро.

image

У петербургской башни оно железобетонное, очень массивное — толщина стены от 2,5 до 0,8 метра с утоньшением по мере набора высоты. Диаметр тоже убывает, максимальный радиус — 26 метров в основании башни.
Большая часть нагрузки на фундамент должна прийтись именно на этот 26-метровый участок.

image
Ядро «Лахта центра» на уровне фундамента. 2015 г

БЛЮДЦЕ, СУПОВАЯ ТАРЕЛКА ИЛИ СТАКАН


Наибольшее давление на основание — по центру, наименьшее — по краям. Сплошная плита фундамента будет прогибаться. В «стакан» она, конечно не превратится — закритическое состояние наступит еще на этапе «суповой тарелки».
Можно сделать плиту жестче — больше арматуры, больше железобетона, больше прочности! По расчетам, требуемая жесткость достижима в плите толщиной 8 метров.
Таких монолитных плит в мире нет. Небоскреб Messe Torhaus (Франкфурт) имеет в фундаменте 6-метровые участки. Больше такой подвиг никто не повторял.

image
Messe Torhaus, 117 м. Фотоисточник

Есть причина, по которой никто и никогда не будет делать плиту толщиной 8 метров из бетона. Парадоксально, но она просто не будет прочной. Это произойдёт из-за появления трещин во время остывания бетонной смеси. Управлять процессом экзотермии на монолите такой толщины вряд ли возможно.

image
Фото из инстаграма Саратовского завода бетонных смесей.

Messe строили в 1983–84-м, сейчас есть более эффективное техническое решение — коробчатый фундамент. Чтобы не отходить далеко от свайной темы, пока просто примем как факт — под башней «Лахта центр» в итоге фундамент именно такой, коробчатый. Как он работает на равномерное распределение нагрузок, расскажем в отдельном посте.
Коробчатый фундамент не даст плите уподобиться суповой тарелке. Но добиться идеально одинакового давления по всей площади основания ему все же не под силу. Чтобы предотвратить эффект «блюдца», в бой вступает свайное поле.

СИНХРОНИЗАЦИЯ ОСАДКИ


Первое, что нужно знать для создания равномерной осадки — как нагружены разные участки под основанием.
Посмотрим на схему.

image
Три зоны нагрузки

Первый сюрприз — благодаря коробчатому фундаменту теперь под центром будут малонагруженные сваи.
Зона повышенного внимания — вторая, между центром и периферией — значительная нагрузка из-под ствола здания перешла в эту зону. Дальше — за контуром здания, на периферии, давление ослабевает.
Теперь нужно сделать так, чтобы все участки оседали синхронно. Дирижировать оркестром будут геотехники.
Есть три параметра свай, которые можно регулировать.
Первый — длина. Она повышает несущую способность сваи и замедляет скорость осадки. За контуром здания — сваи по 55 метров. Внутри — на десять метров длиннее.
Второй параметр — частота свайного шага. Под ядром и в периферии он равен 5 метрам. В зоне концентрации нагрузки «ускоряется» до 3–4 метров.

image
Свайное поле под башней. Темным значком обозначены сваи длиной 65 м., светлым — 55 м.

Третье — ширина сваи. Она не меняется — диаметр всех конструкций — 2 метра. Это — самые широкие сваи в мире.

image
Подготовка армокаркаса сваи

Ширина повышает несущую способность. По расчетам, средняя нагрузка на сваи — 2 545 Тс при двойном запасе несущей способности и прочности.

ТАК ЧТО ТАКОЕ ВИСЯЧАЯ СВАЯ


Многие считают, что свая — это такой аналог «ног»: здание опирается на свайные «конечности» как человек — на ноги. Такое сравнение отчасти справедливо. В случае со сваей-стойкой опора идет на конец конструкции. Ее даже называют анатомически и ласково — «пята». Для простых случаев работы пяты достаточно.
В Петербурге сваи часто имеют длину не более 20 метров. Их упирают пятой в слой морены, представляющий собой скопление обломков горных пород. Получается хорошо — и свая плотно уперлась, и валуны разбуривать и извлекать не нужно.
Свая становится висячей, когда основная несущая способность обеспечивается не пятой, а боками за счет того, что между боковой поверхностью свай и грунтом возникает трение. У «Лахта центра» 85% несущей нагрузки обеспечено именно боковыми поверхностями свай.

image
Схема передачи нагрузки сваями на грунты основания. Источник

Что надежнее — стойка или висячая свая?


Большинство уникальных зданий с фундаментами глубокого заложения стоит на висячих сваях. Можете держать пари — если перед вами небоскреб и нескальных грунт — вероятность висячих свай приближена к 100%.
Но это не значит, что сваи-стойки ненадёжны. Тип свай определяется характеристиками здания и грунта. Каждый тип хорош на своем месте.


ИТОГОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ


По результатам расчетов минимальная осадка составит 84,8 мм, максимальная — 121,9 мм за весь период. О равномерности можно судить по следующей цифре — крен фундамента с учетом ветровой нагрузки — 0,00016. Шестнадцать стотысячных — такое не всякой техникой зафиксируешь.

image


В следующем посте читайте об изготовлении свай для «Лахта центра»: как не потерять направление при бурении? Что делать с валунами? Где и зачем поставили датчики в сваях? Как проводили съемки на глубине 82 метра и что там снимать?


Консультант:

В.М. Лукин — руководитель проекта по железобетонным конструкциям «Лахта центра», к.т.н.

© Geektimes