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.

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.


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.


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».
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.
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.


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.


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.


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.


Фото из инстаграма Саратовского завода бетонных смесей. (Иллюстрация, не является демонстрацией качества продукции завода — см. инстаграм)

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.


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.


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.


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.


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.


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.

Оставить комментарий