Комплексный плитно-свайный фундамент в современном строительстве

В данной статье рассмотрена конструкция комплексного плитно-свайного фундамента. Указаны основные принципы взаимодействия элементов системы «Основание-Фундамент», приведены примеры эффективного использования конструкции комплексного плитно-свайного фундамента в мировой практике фундаментостроения.

На сегодняшний день конструкция комплексного плитно-свайного фундамента находит все большее применение, как в России, так и за рубежом. Эффективность конструкции фундамента заключается в успешном решении ряда инженерно-геологических проблем, отвечая при этом требованиям экономической эффективности. Так, плитно-свайный фундамент может применяться в следующих инженерно-геологических условиях:

1.  при больших величинах нагрузки на обрез фундамента (данное условие стало актуальным ввиду развития многоэтажного строительства);

2.  при строительстве на основании, сложенном слабыми или насыпными грунтами, ввиду появления проблемы дефицита пригодных для строительства грунтов;

3.  строительство в стесненных условиях, в связи с увеличением плотности городской застройки.

Плитно-свайный фундамент представляет собой монолитную плиту, опирающуюся на сваи. Плита воспринимает нагрузки от вышележащих конструкций, а сваи стабилизируют неравномерность осадок, уменьшают их величину. Особенность этого типа фундамента заключается в вовлечение в работу конструкции плитной части фундамента. Всего в системе «Основание-Плитно-свайный фундамент» наблюдается 4 вида взаимодействия элементов конструкции (Рис.1):

Рисунок 1. Взаимодействие элементов конструкции плитно-свайного фундамента. 1. Свая-грунт; 2. Свая-свая; 3. Плита-грунт; 4. Плита-свая

Ключевую роль в поведении конструкции плитно-свайного фундамента играет распределение нагрузки между плитой и сваями, которое выражается следующим уравнением:

где:  – коэффициент, учитывающий распределение нагрузки между сваями и плитной частью фундамента;

 – нагрузка от вышележащих конструкций, приходящаяся на сваи;

 – общая нагрузка от здания.

Значение  свидетельствует о том, что конструкция представляет собой плитный фундамент, сваи не воспринимают нагрузку от здания;

Если , значит фундамент работает как свайный, несущая способность плиты в расчетах не учитывается.

Впервые конструкция комплексного плитно-свайного фундамента была применена еще в 1980-х годах при строительстве высотных зданий офисных центров во Франкфурте (Германия). В 1985 году завершилось строительство небоскреба Messe Torhaus. Плитно-свайный фундамент состоял из 2 отдельных фундаментных плит и 84х свай длиной 20 м, диаметром 0,9 м. Однако, расчетные данные свидетельствовали о том, что плита воспринимает всего лишь 20% общей нагрузки [1, с. 25]. А значит, эффективность комплексного плитно-свайного фундамента не была достигнута в полной мере. Максимальная осадка здания составила 120 мм.

Рисунок 2. Небоскреб Messe Torhaus

Следующее внедрение конструкции плитно-свайного фундамента было в 1990 при строительстве небоскреба Мессетурм (Франкфурт, Германия). Инженерно-геологические условия строительной площадки не позволяли применить конструкцию свайного фундамента. Фундамент башни Мессетурм представляет собой плиту переменной толщины (3-6 м), опирающуюся на 64 буронабивные сваи диаметром 1,3 м, предотвращающие неравномерные осадки конструкции. Расстояние между сваями варьируется в пределах 3,5-6d (d – диаметр сваи). При возведении данного объекта удалось оптимизировать распределение нагрузок между плитной и свайной частью и в полной мере использовать несущую способность фундаментных конструкций [1, с. 26].

Рисунок 3. Небоскреб Мессетурм

Таким образом, применение комплексного плитно-свайного фундамента при строительстве небоскребов во Франкфурте позволило значительно снизить величину и неравномерность осадок до требуемой величины, а также явилось экономически более выгодным и менее трудозатратным по сравнению с использованием традиционных конструкций. Например, осадка небоскреба Майнтауэр, построенного на плитно-свайном фундаменте составила всего 2,5 см, в то время как осадка здания Штаб-квартиры “Helaba Bank”, возведенного на плитном фундаменте – 10 см [1, с. 22].

В последние десятилетия происходит интенсивный рост городов, а высотные и уникальные зданий возводятся уже и в сложных инженерно-геологических условиях. Конструкция плитно-свайного фундамента с успехом была применена при строительстве Башни Петронас (Куала-Лумпур, Малайзия) (Рис. 4).

Рисунок 4. Башни Петронас

Изначально фундамент был рассчитан как свайный. Однако некоторая доля общей нагрузки воспринималась плитой. Согласно расчетам [2, с. 1245], в момент строительства 34-ого этажа, 15% нагрузки от собственного веса здания передается на плитную часть фундамента. Общая осадка конструкции составила 40 мм. Здание международного коммерческого центра также изначально проектировалось на свайном фундаменте, однако расчеты показали [2, с. 1245], что плита может воспринимать около 30% общей нагрузки.

В заключение следует отметить, что комплексный плитно-свайный фундамент является эффективной конструкцией, позволяющей возводить здания в осложненных условиях строительства (при насыпных и просадочных грунтах). При строительстве высотных зданий во Франкфурте, применение конструкции плитно-свайного фундамента более чем на 50% уменьшило осадку конструкций и оказалось на 60% экономически более выгодной конструкцией по сравнению со свайными фундаментами. Однако на сегодняшний день не существует окончательного понимания работы конструкции. Следует уделять особое внимание методикам расчета и проектирования такого типа фундамента, а также более подробно рассмотреть взаимодействие элементов фундамента.