Как построить небоскреб «на болоте»?
Когда начиналась стройка «Лахта центра», здания весом почти в 600 тысяч тонн, один из главных вопросов от наблюдателей был связан с представлением о том, что «Петербург стоит на болоте» и строить здания категории «супертяж» тут нельзя в принципе — засосет.
В ту пору ходило множество теорий. В топ, пожалуй, можно вынести пару апокалиптических сценариев о том, что «башня продавит землю до магмы», и «башня сползет в Финский залив, поднимет цунами и гигантская волна смоет «Зенит-Арену» и все остальное. Может даже так:
Стоит ли веселится над этими гипотезами? Пригоден ли грунт в Петербурге для зданий-тяжеловесов? Если нет, то какие технологии позволяют все же сказать «да»? Если да, то откуда тогда взялось представление про «болото»?
Предлагаем разобраться в серии тематических постов. Начнем с грунтовой обстановки в городе — ведь именно она являет благодатную почву для «болотных споров». Дальше перейдем собственно к проекту.
Строительный парадокс Петербурга: вода в грунте не враг, а союзник
Первое, что приходит в голову при обсуждении вопроса о несущей способности грунтов — это обратится к исторически сложившемуся опыту. Как «на болоте» отстроили целый город?
Постройка берегового устоя для Нового Исаакиевского моста. Литография по рисунку Треттера (Источник)
Итак, Санкт-Петербург возник на ровных, «мшистых, топких берегах» дельты Невы. Точней не скажешь — до 75% территории, разлинованной под создание Северной Венеции, было заболочено.
Одна из карт местности, 17 век. (Фото отсюда)
Вроде бы с грунтами действительно «не повезло». Но строители тогда об этом сильно не задумывались — просто строили, благо, добытые опытным путем методы позволяли. Методы перенимали в том числе из любимой Петром Голландии, где с грунтом было не лучше, а со зданиями — все в порядке.
Королевский дворец в Амстердаме и по сей день уверенно держится на своих 13.5 тысячах деревянных свай. (Фото отсюда)
Петербургское строительство начиналось с лежневых фундаментов из дубовых бревен, которые предварительно вымачивали — то есть «морили» в воде для повышения прочности древесины. Мореные сваи длиной 6–8 метров вбивали в грунт, для его уплотнения, и покрывали «свайное поле» деревянным же настилом.
Вид деревянных свай (Кеннигсберг, фото отсюда)
Другой вариант петербургских фундаментов — в траншею на основу из лежней укладывали бутовый камень (известняк, гранит).
Пример бутового фундамента
По сей день большинство зданий исторического центра стоят на фундаментах таких типов. Вы не ошибетесь, если предположите деревянные лежни или бутовый камень под домами на Исаакиевской площади, Невском проспекте.
И под Московским вокзалом тоже. В середине 20 века деревянные лежни под зданием антисептировали, законсервировали, грунт укрепили.
Уже наши современники выяснили, что водонасыщенная почва для такого рода фундаментов — не враг, а союзник. Грунтовые воды оберегают деревянные сваи и лежни от разрушения, препятствуя соприкосновению с воздухом. Во времена, когда здания возводились, строители этого еще не знали. Выходит, что простоять века петербургским постройкам помог «плохой» грунт. Вот такой парадокс.
Супертяжи: Исаакиевский собор
Два века петербургские здания росли не выше отметки 23,4 м. Красная линия — карниз Зимнего дворца. Нарушитель — Исаакиевский собор, чья высота 101,5 м превысила регламент в 4 раза.
Он же, с весом в 300 тысяч тонн, стал пионером в супертяжелой категории.
Творение Монферрана доказало, что строить высокое и тяжелое можно даже на слабом грунте. Как?
Исаакиевский собор. Автор фото — Иерей Максим. Длина постройки — 102 м., ширина — 92 м., высота -101,5 м.
Ключевой момент — массивность конструкций храма обеспечила ему высокую пространственную жесткость. Стены собора в толщину — от 2,5 до 5 м, своды — 1,25 м. Пирамидальность помогла распределить давление постройки на грунты.
Одна из 49 литографий Монферрана, повествующих о строительстве.
Способ обустройства фундамента технологически не отличался от описанных выше, но потрясал масштабом работ.
Глубина котлована — 5 м. В нем — 37 тысяч деревянных свай!
Из них 24 000 штуки, длиной от 6,3 до 8,4 м., установили строители из «команды» Монферрана.
13 000 свай, длиной от 8,4 до 10,5 м. — досталось в наследство от собора-предшественника — того, который был построен по проекту Ринальди, но оказался «неудачным». Наследство, к слову, вышло боком — именно этот свайный участок впоследствии оседал опережающими темпами, вызывая деформации.
Грунт между сваями уплотнен щебенем и пролит известково-песчаным раствором.
Сверху уложены известняковые плиты и гранитные блоки. Толщина плиты — 7,5 м., а вес — 100 тыс. тонн! — треть от веса собора.
Эти параметры останутся непревзойденными до окончания эры деревянно-бутовых фундаментов.
Когда город начал расти вверх
Высота советских построек в Петербурге оставалась дореволюционной всю первую половину 20 века. В том числе и потому, что геотехнологии не менялись.
В 60-х годах появились забивные железобетонные сваи, фоновая застройка сразу сделала скачок до 14 этажей. В 1975 сданы два 22-этажных дома- «пластины», ростом по 76 метров.
22-этажки у площади Победы (конец Московского проспекта) (Фото отсюда)
Во второй половине 1990-х к нам пробиваются современные зарубежные геотехнологии.
Новые фундаменты — новые высоты. Сегодня в Петербурге более 3,5 сотен зданий ростом от 75 до 100 метров. Еще не небоскребы, но может для податливых грунтов и это уже — перебор?
Что находится под Петербургом
В вопросе о пригодности мягких почв для небоскребов без гранита научных знаний не разобраться.
Обратимся «к Марксу».
Слово «грунт» происходит из немецкого языка и обозначает «основу». Это не только почва или земля под нашими ногами.
Грунтовый пласт в разрезе
Грунт — многокомпонентные динамичные системы (горные породы, почвы, осадки и техногенные образования), рассматриваемые как часть геологической среды и изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью людей. (ГОСТ 25100–2011)
(Источник)
Типичный грунт в пойме Невы имеет такие напластования (цитируется по д.т.н, проф. Алексееву С.И.):
1. Техногенные отложения мощностью 2–3 м.
К техногенному грунту относят культурный слой (Фото отсюда)
2. Дельтовые отложения (пески от пылеватых до средней крупности переслаивающиеся и выклинивающиеся между собой) мощностью до 5–6 м.
3. Морские отложения (супеси и суглинки от мягкопластичной до текучей консистенции) мощностью до 12–16 м.
4. Ледниковые моренные отложения в виде суглинков и супесей тугопластичной консистенции, расположенные на глубине от 20 м.
Для морены характерны еще и вот такие валуны — на стройке «Лахта центра» с ними пришлось «повоевать». Этот представитель сфотографирован в Ломоносовском районе Петербурга, фото отсюда.
А что находится ниже минус 20 метров?
Щит и платформа
Петербург находится в зоне сочленения Балтийского (Фенноскандинавского) щита и Русской (Восточно-Европейской) платформы.
Краевой шов между Балтийским щитом (сам щит обозначен цифрой 1) и Русской платформой (Источник)
Балтийский щит состоит из твердых кристаллических пород. А платформа имеет двухэтажное строение. Нижний этаж — это тоже кристаллические породы самого древнего архей-протерозойского возраста (4–2,5 млдр. лет назад) — граниты, гнейсы, диориты и др.
Эти камни — из эпохи зарождения жизни на земле.
В пределах Петербурга кристаллический этаж залегает глубоко — от минус 140 м в Курортном районе до минус 300 м на юге города.
Как среду размещения подземных объектов этот этаж пока не рассматривают, по понятным причинам — слишком глубоко.
Верхний этаж состоит из осадочных пород. Они разные по возрасту, происхождению, составу, состоянию и свойствам. Подход к оценке их устойчивости, соответственно, тоже разный.
Тут обратимся к анализу «Инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга», выполненному группой под руководством проф., доктора г.м.н. Дашко.
Итак, в северной и центральной частях города под четвертичным слоем (т.е. — сформировавшимся в современную геологическую эпоху) залегают верхнекотлинские глины верхнего венда. Они же есть и на юге, под нижнекембрийским слоем.
(Источник)
Мощность этих отложений от 12–20 м до 95–126 м.
Верхнекотлинские глины представляют собой плотные (плотность 2,17–2,24 г/см3) твердые алевритовые (пылеватые) тонкослоистые разности зеленовато-серого цвета.
А вот плотность кристаллических скальных грунтов: от 1,2 до 2,5 г/см3 (ГОСТ 25100–2011).
Из сравнения ясно, почему в рассказе мы так долго копали до этих глин. Они — наиболее устойчивая из доступных среда для размещения подземных сооружений. И ничего общего с «болотом».
Именно в верхнекотлинских глинах проложены глубокие канализационные коллекторы, там же — основная часть тоннелей и станций петербургского метро.
Поездка на метро — путешествие сквозь верхне-вендский период (Фото отсюда)
«Верхнекотлинские глины часто называют «протерозойскими», что не совсем точно. Их возраст — верхний венд (верхний отдел протерозоя) — интервал 680±20 — 570±20 млн. лет. Это одни из самых древних отложений планеты»
Строительство осадочное и безосадочное
Конечно, эталонным для высотного строительства считается скальный грунт.
Такой, как под Чикаго и Нью-Йорком. Там до него — всего 10–20 метров. Толщу (которую и толщей-то не назовешь) осадочных отложений проходят неглубокими сваями.
Фото с проведения подземных работ в центре Нью-Йорка дает наглядное представление о качестве грунтов, дающий возможность безосадочного строительства. (Фото отсюда)
В Петербурге, как мы установили, до скального основания (это нижний «этаж» Русской платформы) — в среднем, 200-метров и его невозможно использовать в качестве несущего слоя.
Осадочное строительство многого требует от конструкции высотных зданий: надо обеспечить пространственную жесткость и устойчивость. Конструкция должна сопротивляться не только сжимающим, но и изгибным и крутящим нагрузкам. Такими свойствами обладают каркасы из металла или железобетона. В мировой практике это взяли на вооружение с первой трети двадцатого века.
Петербург — не единственный город, где приходится строить, опираясь на осадочные отложения. Прекрасно чувствуют себя на таком основании небоскребы Франкфурта-на-Майне и Берлина. Слабы грунты и в Китае. Например, в Шанхае, для точечного небоскреба делают большой подиум в виде мощной коробки, для снижения нагрузки на грунт. Сам небоскреб 50×60 метров, а под ним — подиум 20–30 тыс. квадратных метров. Под коробкой — еще и сваи.
Небоскребы Шанхая — не только на мягком грунте, но еще и расположены кучно. (Фото отсюда)
Так что с небоскребом «на болоте»?
В 2013 году на площади Конституции первый петербургский небоскреб-таки возвели.Им стал «Лидер Тауэр», 140 метров, 42 этажа. До официального «небоскребного» статуса он не дотягивает совсем немного — 10 метров, но думаем, в обсуждаемом контексте на это можно закрыть глаза.
«Лидер Тауэр». Кстати, высотное здание именно тут, между двумя корпусами ЛенЭнерго, планировалось еще в 1980-х. Фото пользователя Black_Man с форума skyscrapercity.com
О конструктивных особенностях авторы проекта сообщают:
«В фундамент башни вбито порядка 800 свай, которые опираются на твердый слой глины. В центре здания — ядро жесткости, в котором размещены лифтовые шахты. Шаг колонн — 6×6 м»
Фундамент башни «Лидер Тауэр» сфотографировал Flatron, тоже с форума skyscrapercity.com
Конструкция надземных уровней. Фото оттуда же, автор — Star2007
До июля 2016 «Лидер Тауэр» был самым высоким зданием в городе (без учета телебашни), затем его обогнал «Лахта центр». Вот тут-то и начинается самое интересное. Такого давления, как в Лахте, петербургский грунт еще не испытывал. Но об этом — в следующий раз.
Читайте в новой «серии» — кто исследовал пригодность грунта под «Лахта центром», зачем исследователи копали до минус 200 метров, нашли ли они Балтийский щит и вообще как там, внизу?
