Большое разнообразие различных металлоконструкций по всему миру удивляют не только своими масштабами и высотой, но и тем, как они устроены под землёй, хотя об этом и мало кто говорит.
Чем выше здание, тем сильнее оно давит на основание фундамента. Общая вертикальная нагрузка может достигать огромных значений. Поэтому высотные здания отличаются своей спецификой возведения фундамента и порой требуют принятия сложных инженерных решений.
Основание и фундамент: в чем разница?
Перед тем, как перейти к примерам, давайте разберёмся в понятиях “основание здания” и, собственно, “фундамент”. Часть металлоконструкции, передающая нагрузку от сооружения на грунт — называют фундаментом. Сюда относят нижние конструкции — плита, свайный ростверк, сваи и т. д. А весь массив грунта, в котором возникают дополнительные напряжения является основанием. Важно правильно спроектировать и основание, и фундамент. Поскольку высота сооружения большая, а площадь передачи нагрузки на основание по отношению к высоте сооружения мала, это приводит к высоким напряжениям как в самой конструкции фундамента, так и в основании.
Фундамент для высотки: подготовительные работы
Перед возведением высотной постройки производят инженерно-геологические исследования. Земельный участок подвергается тщательному ультразвуковому сканированию, в земле пробуриваются скважины глубиной до 100 метров для определения состава грунта.
Величина вертикальной нагрузки на основание и характеристики грунта — два основных фактора, влияющие на выбор типа фундамента высотного здания. Однако учёту подвергаются и другие факторы:
1) возможная сейсмическая активность в регионе строительства;
2) присутствие источников грунтовых вод, подземных рек, плывунов, карстовых пустот и других подземных аномалий;
3) расположение крупных объектов капитального строительства по соседству;
4) проходящие в близи от строительства транспортные коммуникации, тоннели метро, газо- и водопроводы;
5) климатические факторы — прежде всего сезонные перепады температур, частота гроз и скорость ветра. Его сильные порывы на высоте 300–400 метров, равно как и термическое расширение материалов, а также удары молний могут вызвать весьма ощутимые разовые нагрузки на всю конструкцию здания, в том числе на фундамент.
Возведение фундамента башен Петронас
Самым глубоким фундаментом из бетона уже много лет считается фундамент двух башен Петронас (Petronas Twins Towers). Башни-близнецы построены в 1998 году в столице государства Малайзия, городе Куала-Лампур и имеют 88 этажей и высоту 451,9 метра. На строительство самых высоких башен-близнецов в мире ушло 6 лет.
Башни впечатляют не только колоссальными масштабами, но и сложностью конструкции, особенно металлоконструкциями — находящихся над землей и под ней
В основе конструкции — не лёгкая сталь, слишком дорогая для Малайзии, а специальный эластичный бетон, сравнимый по прочности со сталью. Получается своего рода композитный материал или железобетон
Башни могут устоять даже при потере трёх из шестнадцати несущих колонн. Дополнительную безопасность придаёт воздушный мост, поставленный на гигантских шарнирных опорах, так как башни раскачиваются и мост нельзя жёстко закреплять.
На стадии предпроектных изысканий оказалось, что на месте, где предполагалось строительство башен Петронас, грунт с одной стороны скальный, а с другой – мягкий известняк. Если бы башни возводились на этом месте, то со временем они бы с большой вероятностью просели, независимости от конструкции и глубины заложения фундамента. Поэтому место постройки перенесли, сдвинув от ранее намеченного расположения на 60 метров.
Нижняя отметка фундамента башен Петронас находилась на глубине 100 метров. Для того чтобы бетон не успевал застыть до загрузки следующей порции смеси, строители работали непрерывно в течение трёх суток. Машины с высокопрочным бетоном подвозили на объект каждые полторы минуты.
Московские высотки и фундамент
Что касается особенностей проектирования высотных в Москве зданий в из металлических конструкций, то для столичного подземелья характерно отсутствие прочных скальных грунтов и довольно высокий уровень грунтовых вод. Грунтовая толща в столице представлена слоями песчаных и глинистых грунтов различной консистенции. Это довольно хорошее основание для обычных зданий, однако для высотных зданий этого недостаточно. Для небоскребов выбирают грунт в виде слоя известняков. Защитить котлован от подтопления грунтовыми водами в период строительства можно несколькими способами, однако чаще всего применяют метод создания водонепроницаемой «стены в грунте».