ООО НГПИ &quot

1
ООО «Новосибирский государственный проектный институт»
Рекомендации
по проектированию сейсмостойких фундаментов
объектов повышенной этажности, в том числе для
уникальных высотных зданий и сооружений
Шифр ТР-НГПИ-13 (вып.2)
г.Новосибирск
ноябрь 2013 г.
2
ООО «НГПИ»
630091, г.Новосибирск, 91, ул.Советская, 52
Телефон: (383) 221-60-01, Факс: 2-201-448
e-mail: ngpi.nsk@mail.ru
Утверждаю:
Директор ООО «НГПИ»
Ткачев Е.В.
РЕКОМЕНДАЦИИ
по проектированию сейсмостойких фундаментов объектов повышенной этажности,
в том числе для уникальных высотных зданий и сооружений
Шифр ТР-НГПИ-13 (вып.2)
г.Новосибирск
ноябрь 2013 г.
3
Рекомендации по проектированию сейсмостойких фундаментов объектов повышенной этажности, в том
числе для уникальных высотных зданий и сооружений. Шифр ТР-НГПИ-13 (вып.2).-Н-ск. ООО «НГПИ», 2013
Разработаны в качестве пособия в виде технического регламента согласно ГОСТ Р1.4-2004 (Стандартизация в
Российской Федерации. Стандарты организаций. Общие положения).
Содержат технические решения подвальных пространств многоэтажных зданий и сооружений, включающих
внешний фундамент коробчатого типа по контуру котлована, каркас подземной части их, расположенный на
плитном автономном фундаменте с элементами универсальной сейсмозащиты, обратную засыпку буферной зоны
между ними сейсмопоглощающими материалами в виде подушки в нижней зоне, а также наклонных откосов по
боковым сторонам вместо вертикальных стен подвалов по периметру.
Устойчивость зданий и сооружений может дополнительно обеспечиваться упорами и распорками с
демпферными устройствами, а также горизонтальными поясами-экранами и другими мероприятиями в
зависимости от конкретных условий.
Рассмотрены варианты технических решений в различных грунтовых условиях, в том числе для слабых,
просадочных и скальных грунтов с использованием патентов и авторских свидетельств НГПИ.
В зависимости от исходных данных и принятых мер возможно повышение сейсмостойкости и надежности
зданий и сооружений в результате снижения расчетной сейсмичности на 1-3 балла.
Настоящие рекомендации предназначены для проектировщиков (архитекторов и конструкторов), а также
строителей и заказчиков.
Разработаны главным конструктором ООО «НГПИ», членом Международного и Российского обществ по механике
грунтов, геотехнике и фундаментостроению, заслуженным работником РФ Шишковым Ю.А. при участии других
специалистов института.
Замечания и предложения по данным рекомендациям можно направлять по адресу:
630091, г.Новосибирск, ул.Советская, 52, ООО «НГПИ» (тел. 221-60-01).
Средства связи ООО «НГПИ» указаны на титульном листе.
По мере накопления материалов рекомендации могут быть дополнены и откорректированы в новой
редакции.
© ООО «НГПИ», 2013
4
АННОТАЦИЯ
Рекомендации по проектированию шифр ТР-НГПИ-13 (вып.2) состоят из трех разделов, по
каждому из которых даны соответствующие аннотации. Все рассматриваемые разделы
характеризуются единым техническим замыслом. Комплексное рассмотрение вариантов решений
позволяет выбрать наиболее оптимальные проектные решения при конкретном проектировании.
По разделу 1. Повышение сейсмостойкости зданий при строительстве на слабых грунтах.
Решение вопросов повышения сейсмостойкости, несмотря на общие подходы и принципы,
зависит в первую очередь от конкретных инженерно-геологических условий и объемнопланировочных решений зданий с учетом принятых мер активной сейсмозащиты, а также методов
производства работ. Рассматриваются оптимальные решения нулевых циклов зданий и сооружений в
слабых грунтах.
По разделу 2. Технические решения фундаментов и подвалов зданий повышенной
сейсмостойкости в просадочных грунтах.
Рассматриваемые решения учитывают не только недостатки просадочных грунтов, но и их
преимущества. Подземная часть максимально заглублена в грунт, причем здание не имеет
традиционных наружных стен подвала, роль которых выполняют наклонные стены сейсмозащитного
экрана. Решение универсально, так как обеспечивает надежность зданий в условиях высокой
просадочности грунтов, а также защиту от всех видов сейсмических воздействий: продольных и
поперечных волн, наклонных и вертикальных толчков, и что особенно важно - от кручения и
резонанса.
По разделу 3. Сейсмостойкие фундаменты уникальных высотных зданий и сооружений
башенного типа.
Рассматриваются технические решения их подвальных пространств, включающих каркас
подземной части (расположенный в многоярусном подвале на плитном автономном фундаменте с
элементами универсальной сейсмозащиты и надежном искусственном основании под ним), обратную
засыпку пазух с наклонными откосами вместо стен подвалов из материалов, поглощающих
сейсмические колебания, а также внешний (по существу дополнительный, но основной) фундамент
стаканного типа по контуру котлована многофункционального назначения.
РАЗДЕЛ 1. ПОВЫШЕНИЕ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЗДАНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА
СЛАБЫХ ГРУНТАХ
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. Многолетний опыт НГПИ по проектированию объектов Минрадиопрома СССР в
условиях слабых грунтов, например, в Ленинграде, Вологде, Казани, Новосибирске, Красноярске,
Омске, Томске, Владивостоке, Хабаровске и многих других регионах, позволяет сделать вывод о том,
что проектирование и строительство этих объектов всегда представляло собой сложную инженерную
задачу, особенно при высоком уровне грунтовых вод.
Если же к слабым грунтам дополнялись требования о необходимости учета высокой
сейсмичности (например, в Ташкенте при строительстве заводов “Зенит” и “Алгоритм”, предприятий
в Коканде, Баку, Тбилиси, Махачкале, Иркутске и др.), проектирование и строительство их
относилось уже, как правило, к особо сложным, причем – в экстремальных условиях. А это многие
сотни зданий и сооружений практически во всех сейсмоопасных зонах страны от Кишинева до
Петропавловска-на-Камчатке.
1.2. Традиционное проектирование в условиях слабых, обводненных грунтов, как правило,
предполагает применение двух основных типов фундаментов — сплошной плиты или свайного
фундамента при наличии упора в грунтах для свай в их нижней зоне.
Использование свай (особенно висячих) в таких грунтовых условиях может привести к
значительному резкому снижению их несущей способности в результате тиксотропии грунта от
динамических воздействий при землетрясениях, что не всегда правильно учитывается.
Как показывает опыт проектирования и строительства объектов, обеспечение надежности
зданий в слабых грунтах при высокой сейсмичности в значительной мере зависит от совместно
принятых объемно-планировочных и конструктивных решений, а также методов производства работ
[1-2].
5
1.3. Необходимо учитывать, что с одной стороны, в слабых грунтах (например, пылеватоглинистых текучих или рыхлых песках) целесообразно максимально возможное заглубление
подземной части в грунтовое основание для уменьшения сжимаемости и толщи слабых грунтов, а
также повышения устойчивости зданий при сейсмических толчках. С другой, при наличии грунтовых
вод, увеличение заглубления подземной части зданий и сооружений в грунт значительно усложняет
производство работ и повышает их стоимость.
Поэтому при проектировании очень важно определить оптимально возможное заглубление
подземной части для конкретных инженерно-геологических условий. В Японии, например (где
строительство объектов зачастую осуществляется на слабых грунтах), величина указанного
заглубления для многоэтажных зданий высотой 7-12 этажей принимается, как правило, с учетом
выполнения 2-5 подземных этажей [3], стр.291.
2. ПРИНЯТЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ
2.1. Наиболее целесообразным является компромиссное комплексное решение, одновременно
учитывающее все вышеприведенные факторы.
Для облегчения решения задачи, в частности, сокращения продолжительности и стоимости
работ, связанных с водопонижением, а также повышения при этом сейсмостойкости объектов
предложено осуществление сплошного защитного экрана по периметру здания и под его подземной
частью. Экран выполняет двойную роль. В период строительства он, подобно большому, открытому
сверху пустому резервуару, защищает котлован от проникновения в него подземных вод, а после
возведения здания служит сейсмоизолирующим экраном подземной части здания.
2.2. В качестве рассматриваемого примера условно приняты грунтовые условия площадки
строительства объекта в г. Коканде, в верхней зоне которой залегают в основном просадочные
суглинки, подстилаемые на глубине около 6 м слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами
значительной мощности, ниже расположены несущие грунты — крупнозернистые пески. Уровень
грунтовых вод от спланированной поверхности равен 5,5 м.
2.3. Котлован для защитного экрана до проектной отметки глубины заложения отрывают в два
этапа. Сначала — верхнюю часть котлована с наклонными откосами глубиной несколько выше
уровня грунтовых вод. Ширину этой части принимают с учетом возможности дальнейшего
производства работ, связанной с водопонижением, при котором, например, иглофильтровые
установки размещают по периметру на дне первоначально отрытого котлована.
Затем отрывают котлован ниже уровня грунтовых вод любым известным способом, например, с
предварительным использованием шпунтового ограждения для крепления вертикальных откосов.
2.4. На рис. 1 показано принципиальное решение в виде эскиза многоэтажного здания с 1-3-х
этажным подвалом.
На рис. 2 то же, фрагмент поперечного разреза здания с подвалом в несколько ярусов.
При ознакомлении с изложенными решениями не надо понимать, что все они рекомендуются
к применению в полном объеме, как это показано на рис. 2. Это, прежде всего, набор
принципиальных технических решений, облегчающий задачу проектировщика и выбор их при
конкретном проектировании. Понятно, что многократная защита от сейсмических воздействий
позволяет обеспечить максимальное повышение надежности, например, для зданий повышенной
этажности или при наличии подземных автостоянок в 2-3 уровня и т.д. Но в каких-то конкретных
случаях можно будет решить проблему надежности и по рис. 1 с минимальным расходом материалов
и снижением стоимости. Хотя принцип остается тот же. При более благоприятных грунтовых
условиях и сравнительно меньшей сейсмичности (например, 7-8 баллов) возможен вариант
несколько упрощенного решения сейсмостойкого фундамента по рис.1 без применения свай при
условии упрочнения грунтов основания другими методами и переводе их из 3-й ко 2-й категории по
сейсмическим свойствам [4], стр.349.
6
Рис.1 – Схема сейсмостойкого многоэтажного каркасного здания с подвалом.
1 – надземная часть; 2 – подземная часть; 3 – железобетонные стены и днище защитного экрана; 4 – распорные связи
(устраиваемые при необходимости), выполняющие роль упоров от подпорного давления грунта на противоположные
стены экрана (конструктивные решения сейсмоизоляции и свайное основание на данной схеме условно не показаны,
так как приведены в более крупном масштабе на рис.2)
2.5. Для снижения горизонтальных нагрузок на сваи после их погружения согласно рис. 2
используется известное техническое решение (многократно проверенное на практике, в том числе
НГПИ): выполняются сборные железобетонные оголовки и сплошная сейсмоизолирующая подушка
из послойно уплотненной гравийно-песчаной смеси. В отличие от указанного типового решения
между верхом сваи и сборным оголовком может быть выполнено демпферное устройство в виде
упругой прокладки для снижения вертикальных сейсмических толчков [5].
2.6. По верху подушки по защитному слою бетонной подготовки устраивается горизонтальная
рулонная гидроизоляция, а затем — монолитная железобетонная плита днища экрана с
выполненными в ней выемками, имеющими горизонтальное дно и наклонные боковые стенки в виде
усеченного конуса для последующего размещения в них катковых шаровых опор. Причем вместо
обычной гидроизоляции, например, из гидроизола, гораздо эффективнее можно использовать два
слоя полимерных листов. Указанное решение хорошо зарекомендовало себя по отзывам строителей
при производстве работ в ходе строительства фундаментов школ в селах Республики Горный Алтай.
2.7. При этом в днище может устраиваться выступ фундаментной плиты, выполняющий роль
упора в грунте при действии выталкивающих нагрузок, и препятствующий всплытию экрана после
прекращения водопонижения. Так как забитый шпунт мешает устройству выступа, последний можно
выполнить на отдельных участках между стойками шпунта, либо с увеличенным шагом (при
частичном извлечении шпунта или его вырезки по месту).
2.8. Затем выполняется вертикальная гидроизоляция из двух слоев полимерных листов
(одновременно являющихся сейсмоизоляцией), а шпунтовое ограждение при необходимости
окончательно обетонируется мощным слоем бетона (с армированием) изнутри стен, обеспечивая
оптимальные условия для работ нулевого цикла. Пространство между днищем экрана до верха
катковых опор заполняется слоем сухого неуплотненного песка, по верху которого укладывается
насухо слой гидроизоляционного материала для предохранения его от увлажнения при последующем
бетонировании фундаментной плиты, расположенной на катковых опорах (А.с.СССР № 1723263 по
заявке НГПИ, БИ 1992, № 12).
По верху катковых шаровых опор или как вариант — опор, имеющих форму эллипса, могут
выполняться сминаемые демпферные прокладки, а нижний слой подготовки верхней фундаментной
плиты выполнен из бетона более низкой прочности (см. узел “А” на рис. 2).
7
Рис.2 – Фрагмент поперечного разреза здания, защитного экрана и котлована
1 – грунтовый откос верхней части котлована; 2 – шпунтовое ограждение с заполнением; 3 – подсыпка слоя
грунта со щебнем; 4 – сваи; 5 – сборные железобетонные оголовки; 6 – подсыпка из гравийно-песчаной
смеси; 7 – гидроизоляция; 8 – железобетонная плита днища экрана; 9 – катковые шаровые опоры,
располагаемые в выемках плиты; 10 – выступ фундаментной плиты; 11 – внутренняя железобетонная стена;
12 – песчаное заполнение; 13 – сминаемые прокладки; 14 – подготовка из бетона более низкой прочности по
сравнению с бетоном плиты; 15 – фундаментная плита здания; 16 – засыпка из сейсмопоглощающего
материала; 17 – наклонные откосы, облицованные сборными плитами; 18 – обратная засыпка пазух стен
снаружи; 19 – демпферные прокладки; 20 – распорные связи; 21 – упоры с демпферами.
2.9. В конкретном случае может быть использовано применение каменных валунов окатанной
формы (Патент СССР № 1774976 по заявке НГПИ, БИ 1992, № 41), что было учтено при
проектировании школы в Новом Бельтире и других объектов на Алтае [6].
2.10. После завершения всех основных строительно-монтажных работ нулевого цикла, включая
каркас и перекрытия этажей, выполняется подсыпка между боковыми стенками экрана и
конструкциями подвальной части здания из материала, поглощающего сейсмические колебания:
песка, шлака, керамзита (А.с. СССР № 1673722 по заявке НГПИ, БИ 1991, № 32).
2.11. Особенностью конструктивного решения каркаса подземной части является отсутствие
стен подвала. Роль ограждающих конструкций в пределах этажей выполняют наклонные откосы,
облицованные сборными плитами.
2.12. Для снижения подпорного давления вертикальные стены экрана раскрепляются в
горизонтальной плоскости связями, которые подвешиваются в отдельных местах под перекрытием
8
каркаса встроенного здания на гибких подвесках, либо в уровне перекрытий верхних подземных
этажей с соответствующими демпферными устройствами.
2.13. Экран и конструкции подземной части здания работают на сейсмические нагрузки
следующим образом. В отличие от известных в технической литературе решений в рассматриваемом
случае максимальная эффективность использования экрана достигается благодаря тому, что он
предусмотрен не на отдельных участках, а сплошным. Несомненное преимущество защитного экрана
заключается в возможности устройства подземной части, включая фундаменты, в сухих условиях,
даже после прекращения водопонижения, что позволяет ускорить строительство и повысить его
качество. При землетрясениях часть колебаний он отражает и рассеивает в окружающем грунте, а
другая их часть поглощается мощными стенами и днищем, представляющими единую жесткую
монолитную железобетонную конструкцию.
2.14. Сейсмические воздействия на подземную и надземную части здания снижаются до
минимума, так как конструктивные мероприятия обеспечивают многократное демпфирование
горизонтальных и вертикальных толчков.
При очень сильных толчках — до 9 баллов, в ходе которых экран будет подвергаться
наклонным, вертикальным и горизонтальным смещениям, какая-то часть сейсмических колебаний
будет воздействовать на защищаемое здание.
Катковые шаровые опоры под действием горизонтальных сейсмических нагрузок сместятся на
наклонные стенки выемок, а затем под действием собственного веса здания вернутся в исходное
положение. Расположение опор по центру выемок не обязательно. Наоборот, различное их
положение в плане и по высоте способствует исключению или снижению резонанса. Демпферные
устройства, расположенные по периметру фундаментной плиты, а также песчаное заполнение между
катковыми опорами снижают влияние горизонтальных и вертикальных воздействий, а также
нагрузок от кручения. Для их осмотра консольный выступ предусмотрен не сплошным по периметру
фундаментной плиты, а с промежутками.
2.15. Наклонные откосы, свободно примыкающие к конструкциям, практически не передают
нагрузки на колонны и перекрытия каркаса, этому же способствует и засыпка из сухого
сейсмопоглощающего материала. Опирание части засыпки на перекрытие и другие конструктивные
мероприятия способствует понижению центра тяжести, что также важно для повышения
сейсмостойкости и устойчивости здания в целом.
2.16. При конкретном проектировании могут быть приняты дополнительные меры,
повышающие устойчивость и надежность подземной части каркаса (см. разделы 2,3).
Выводы
Сравнительный анализ аналогичных решений позволяет сделать вывод о том, что
предлагаемые технические решения с учетом конкретных инженерно-геологических условий и
максимально принятых мер сейсмозащиты могут снизить сейсмические воздействия на 2-3 балла.
 Причем, так как слабые водонасыщенные грунты при сильных землетрясениях
подвергаются разжижению, могут быть приняты также дополнительные меры по их упрочнению, для
чего грунтовое основание между забитыми сваями укрепляется инъецированием цементным
раствором или специально подобранной смесью.
 Для обеспечения пригруза, препятствующего всплытию экрана, к его стене шарнирно
можно закрепить горизонтальные плиты. При землетрясениях расположенные по периметру плиты
выполняют и другую роль – снижают сейсмические воздействия, для чего предусматривается
специальное крепление, ограничивающее их поворот с эффектом демпфирования в месте шарнирных
опор (на рисунке 2 не показано).
 Значительным преимуществом принятых решений является обеспечение оптимальных
условий контроля за состоянием демпферов, упрощение ремонтно-восстановительных работ после
сильных землетрясений [1].
 Рассматриваемое решение универсально, его можно оптимально использовать и в других
грунтовых условиях, например, в просадочных грунтах (конечно, в другой интерпретации), так как
все многоэтажные здания имеют подвальную часть (В 1988-90 годах при проектировании НГПИ
объектов в Ташкенте и Алма-Ате в качестве катковых опор использовались каменные валуны
окатанной формы).
9
 В отличие от сложных дорогостоящих сейсмоизолирующих устройств, используемых как
правило, в зарубежной практике, максимальное повышение сейсмостойкости обеспечивается
применением традиционных природных строительных материалов, в том числе с целью
сейсмозащиты. Таких, например, как песок, щебень, гравий (в отдельных случаях возможно
каменных валунов и пр.), долговечность которых составляет многие сотни лет.
 Рассматривая вопросы сейсмобезопасности, нельзя не отметить актуальность другой очень
серьезной проблемы, а именно – выполнение сверхточных расчетов зданий и сооружений повлияло,
к сожалению, в ряде случаев на снижение надежности объектов. Причем, это характерно не только
для строительства в сейсмических районах.
При проектировании и строительстве объектов зачастую даже незначительные ошибки и
нарушения (например, не точно принятых в расчетах исходных данных, а также отклонений при
выполнении СМР и т.п.) могут привести к существенному снижению несущей способности и
надежности конструкций, что особенно характерно и не допустимо для зданий повышенной
этажности, тем более в сейсмических районах.
 К сожалению, по вопросам сейсмобезопасности зданий и сооружений нет единства мнений.
Согласно работе [7] «…современные нормы зарубежных стран содержат полезную информацию, но
их нельзя идеализировать. Даже самые передовые нормы являются всего лишь развивающимися во
времени документами…». Поэтому рассматриваемые решения по усмотрению генпроектировщика и
заказчика для объектов особой важности рекомендуется использовать конструктивно с запасом
надежности, либо с учетом частичного понижения расчетной фоновой сейсмичности, что можно
рассматривать более оптимальным при конкретном проектировании.
ЛИТЕРАТУРА (по разделу 1)
1. Шишков Ю.А. Устройство нулевого цикла сейсмостойкого здания в слабых грунтах. «Механизация
строительства».-1999.-5.-с.28-30.
2. Шишков Ю.А. Повышение сейсмостойкости зданий при строительстве на слабых грунтах. (Труды VI Российской
Национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию). г.Сочи, 19-24 сентября
2005 г.
3. Поляков С.В. Сейсмостойкие конструкции зданий. М., 1969 г.
4. Ставницер Л.Р. Сейсмостойкость оснований и фундаментов. М., Изд-во АСВ.-2010
5. Шишков Ю.А. Технические решения фундаментов и подвалов зданий повышенной сейсмостойкости. “Известия
ВУЗов. Строительство”.-1998.-10.-с.135-139.
6. Шишков Ю.А., Грохотов В.И. Опыт проектирования сейсмостойких зданий и сооружений в Республике Алтай.
“Проектирование и строительство в Сибири”.-2004.-5.-с.26-27.
7. Ашинбаев М.У., Ицков И.Е. (Республика Казахстан). Проблемы обеспечения надежности зданий повышенной
этажности, возводимых в сейсмических районах. «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений».-2005.-4.с.50.
10
РАЗДЕЛ 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ И ПОДВАЛОВ ЗДАНИЙ
ПОВЫШЕННОЙ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ В ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. В рассматриваемом случае предполагается, что мощность просадочной толщи грунтов
достигает 20-25 м и более с возможным техногенным замачиванием их как в верхней, так и в нижней
зонах при дальнейшей эксплуатации. Объект при землетрясениях может подвергаться воздействию
не только горизонтальных, но также наклонных и значительных вертикальных нагрузок, так как расположен в условиях эпицентральной зоны с расчетной сейсмичностью 9 баллов.
1.2. На основе имеющегося опыта проектирования попытаемся сформулировать основные
критерии решения поставленной задачи и принципы выбора наиболее оптимальных решений в
общем виде, хотя в каждом конкретном случае, конечно, могут возникнуть и дополнительные факторы, требующие уточнения.
Эти критерии и принципы следующие:
 зависимость надежности зданий при землетрясениях от правильности их объемно-планировочных
и конструктивных решений, а также мер активной сейсмозащиты на контакте грунтов оснований и
подземной части на различные виды сейсмических воздействий;
 допущение возможности местных повреждений отдельных конструкций, согласно СП
14.13330.2011 (СНиП II-7-81*) табл.5 [1], что может быть целесообразно экономически, а в отдельных обоснованных случаях и технически. Такое допущение должно быть предусмотрено заранее
при проектировании и при условии обеспечения безопасности людей, а также несущей способности
и устойчивости каркаса здания в целом;
 максимальное заглубление подземной части зданий в грунты оснований является оптимальным, как
с целью снижения сейсмических воздействий, так и влияния просадочности;
 возможность деформации (доуплотнение) просадочных грунтов под воздействием колебаний при
землетрясениях, особенно в пределах увлажненных зон. Причем в условиях сейсмики нарушаются
связи между частицами и может происходить увеличение относительной просадочности [2];
 некоторые преимущества просадочных грунтов по сравнению, например, со слабыми грунтами
(возможность осуществления качественных лидерных скважин, выполнение крутых откосов
котлованов, высокие прочностные свойства грунтов в естественном состоянии и т.д.).
2.ПРИНЯТЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ
2.1. При реальном проектировании необходимо учитывать весь комплекс взаимосвязанных
конструктивных решений, приводящих к снижению сейсмических воздействий.
2.2. Основной
отличительной
особенностью
проектных
предложений
является
первоочередное выполнение конструкций котлована с укрепленными откосами в виде наклонных
стен по периметру здания.
2.3. Подземная часть многоэтажного каркасного здания максимально заглублена ниже
нулевой отметки, предположительно, на 3-5 этажа, в которых могут размещаться, например, многоярусный подземный гараж, складские или другие помещения.
2.4. На рис.1 показан фрагмент подземной части здания (по оси симметрии), включая
конструкции фундамента на катковых шаровых опорах, после его возведения и стабилизации осадок.
2.5. Для устранения негативного влияния оставшейся просадочной толщи используется
традиционное решение с забивными сваями и устройством сейсмоизолирующей подушки между
верхом свай со сборными оголовками и днищем монолитного железобетонного экрана.
2.6. При этом возможно осуществление дополнительных мероприятий активной
сейсмозащиты:
- применение, наряду с типовыми, свай круглых поперечных сечений, например, гофрированных
круглых свай с уширением ствола (пяты) в нижней части [3], а также устройством демпферов
между верхом свай и сборными оголовками;
11
- выполнение второй (верхней) промежуточной подушки из супеси между экраном и низом
фундаментной плиты здания, а также катковых опор под плитой этого фундамента по патенту
СССР
№ 1774976;
- замена вертикальных стен многоярусного подвала здания наклонными откосами по авторскому
свидетельству СССР
№ 1673722 и др.
Рис.1. Фрагмент поперечного разреза здания, защитного экрана и котлована
1-гидроизоляция по облицовке откоса и в составе днища; 2-стены откоса; 3-сваи; 4-сборные железобетонные
оголовки; 5-гравийно-песчаная подушка; 6-днище котлована из монолитного железобетона; 7-промежуточная
подушка из слабосжимаемого грунта; 8-основные катковые опоры большого диаметра с демпферными прокладками;
9-промежуточные катковые опоры меньшего диаметра; 10-фундаментная плита из двух слоев разной прочности; 11засыпка из материала, поглощающего сейсмические колебания; 12-наклонные откосы в пределах этажей; 13-упоры с
демпферными устройствами; 14-распорки между стенами откосов; 15-выносные горизонтальные пояса экраны.
2.7. Ниже приводится порядок выполнения строительно-монтажных работ.
 После отрывки котлована производится облицовка его откосов сборными плитами (с
креплением их между собой), устройство гидроизоляции 1 и бетонирование стен 2 по
периметру в виде монолитной железобетонной чаши без днища, в результате чего
обеспечиваются благоприятные условия для выполнения дальнейших строительных работ.
 На подготовленном грунтовом основании производится забивка свай 3 до проектных отметок
их погружения. На выступающие верхние части свай устанавливают демпферные, например,
многослойные резинометаллические прокладки, а затем монтируют сборные железобетонные
оголовки 4. Далее выполняется подушка 5 из уплотненной гравийно-песчаной смеси, днище
котлована 6 из монолитного железобетона, жестко связанное с наклонными стенами 2
котлована. В составе днища также предусмотрена гидроизоляция.
 Промежуточная подушка 7 выполняется из сжимаемого грунта, например, частично
уплотненного слоя супеси, по верху которого укладываются с чередованием катковые
шаровые опоры 8, 9 двух типоразмеров в шахматном порядке. Основные опоры 8, на которые
опирается фундаментная плита и дополнительные, промежуточные опоры 9 меньшего
размера, укладывают с таким расчетом, чтобы между ними и низом фундаментной плиты 10
12
было расстояние, ориентировочно равное ожидаемой осадке плиты после возведения здания
(на рис.1 не показано).
 По верху крупных опор 8 выполняются упругие прокладки, например, из нескольких слоев
полимерной пленки.
 Пространство между опорами заполняется частично сыпучим материалом (песком, шлаком) с
образованием зазора для последующей осадки плиты после возведения здания с таким
расчетом, чтобы прослойка из сыпучего материала после окончательной стабилизации осадок
опор 8 (см. узел А) осталась неуплотненной или слабоуплотненной. Вместо воздушных
зазоров можно выполнить условные зазоры из сминаемых материалов, например,
строительных отходов утеплителя. Шаг крупных шаровых опор, их габаритные размеры
определяются из учета обеспечения несущей способности бетона фундаментной плиты на
смятие.
 Фундаментная плита 10, опирающаяся на катковые опоры, состоит из двух слоев разной
прочности: нижний слой из бетона меньшей прочности (класса В10-В15), верхний — из более
прочного бетона с армированием. При конкретном проектировании нижний слой плиты в
местах опирания шаровых опор 8 может быть усилен сетками косвенного армирования.
 Обратная засыпка 11 может быть выполнена из материала, поглощающего сейсмические
колебания. Стены 2 имеют угол наклона, близкий или равный углу естественного откоса
обратной засыпки, что позволяет снизить материалоемкость и стоимость строительства.
2.8. Традиционные стены подвальных этажей здания заменены наклонными откосами 12,
расположенными частично на перекрытиях в пределах высоты каждого этажа. Поверхности откосов
облицованы сборными плитами.
2.9. Конструкция подземной части в целом работает на сейсмические нагрузки следующим
образом.
Распространяемые в грунте колебания встречают на пути преграду в виде сплошного экрана с
наклонными стенами и горизонтальным днищем. Частично колебания отражаются и рассеиваются в
окружающем грунте, а частично поглощаются самим экраном (сборные железобетонные
облицовочные плиты, контактирующие с грунтом, могут быть выполнены, например, из легкого
бетона и с шарнирным сопряжением друг с другом, в результате чего будет происходить некоторое
демпфирование толчков).
2.10. При очень сильных сейсмических воздействиях, в ходе которых экран будет
подвергаться горизонтальным и вертикальным смещениям, наклонам и т.п., какая-то часть колебаний
передается и на искусственно созданное грунтовое основание внутри экрана со стороны днища и
боковых поверхностей, а также на конструкции защищаемого здания.
2.11. Значительная часть их будет поглощаться или снижаться в результате предусмотренных
конструктивных мероприятий, обеспечивающих демпфирование горизонтальных и вертикальных
толчков, уменьшающих тем самым до минимума сейсмические воздействия.
2.12. Благодаря такому решению сейсмические волны при землетрясениях не встречают стен
подвала здания, так как наклонные откосы 12 будут выполнять роль "смещающихся поверхностей", в
результате чего общая площадь боковой поверхности строительных конструкций стен подвала,
воспринимающая горизонтальные нагрузки, действующие на подвальную часть, снижается в 10-15 и
более раз.
2.13. Относительно слабое сейсмическое воздействие на фундаментную плиту 10 гасится
дополнительной осадкой катковых шаровых опор 8 в сжимаемом верхнем слое промежуточной
подушки 7 и упругостью прокладок, а также проворачиванием или смещением этих опор в слабоуплотненном сыпучем материале. Работа шаровых опор 8 в рассматриваемом случае отличается от
работы традиционных чисто катковых опор.
Шаровые опоры будут выполнять роль шарнирных, обеспечивающих возможность поворота их
на небольшой угол в одних случаях при раскачке, в других — возможность смещений при горизонтальных воздействиях. Наличие зазора создает необходимый запас на дополнительную осадку
опор, чтобы прослойка из сыпучего материала оставалась слабоуплотненной.
2.14. При более значительном сейсмическом воздействии на площадке (7-9 баллов)
демпфирование фундамента обеспечивается местным смятием бетона нижнего слоя фундаментной
плиты в местах опирания опор 8, а также смягчением вертикальных воздействий, воспринимаемых
сваями, посредством демпферов между ними и оголовками. Промежуточные катковые опоры 9,
13
имеющие меньший диаметр, включаясь в работу периодически, выполняют роль мгновенно
изменяемых связей, что позволяет избежать явления резонанса. Кроме того, они могут воспринимать
часть вертикальных нагрузок, если осадка основных опор 8 превысит предполагаемую расчетом.
2.15. Устойчивость каркаса подземной части здания обеспечивают:
 наличие упора 13 с демпферными устройствами в уровне фундаментной плиты с
ограничением возможности смещения ее в горизонтальном и вертикальном направлениях;
 устройство распорок 14 в верхней части подвала в уровне перекрытий при наличии 3-х и
более этажей с аналогичными демпферными прокладками;
 выполнение выносных горизонтальных поясов-экранов 15 из плит, шарнирно прикрепленных к
плитам перекрытий, и ограничение угла поворота их для обеспечения упора в грунте засыпки 11;
 наличие наклонных стен 2, включающихся в работу при опрокидывании здания.
2.16. Наклонные стены 2 могут быть плоскими или ребристыми в зависимости от их высоты.
В особых случаях они могут быть раскреплены системой связей (на рис.1 не показано).
2.17. На основе сравнительного анализа аналогичных решений был сделан вывод, что такая
конструкция в целом позволяет снизить сейсмические воздействия на 2 и более баллов.
2.18. Предлагаемые решения позволяют не только значительно повысить надежность зданий и
сооружений для принятых экстремальных условий, но и обеспечить максимальную их этажность, а
также рентабельность капвложений за счет расширения подземного строительства.
Использование указанных решений целесообразно, например, для многоэтажного круглого в плане
здания и т.п. Для малоэтажных зданий высота подвала может быть ограничена 1-2 подземными этажами.
2.19. В заключение можно отметить, что рассматриваемое решение универсально, его можно
использовать не только в просадочных, но и в других, например, в гравийно-песчаных [4] или слабых
грунтах [5], а также и в обычных несейсмических условиях. При проектировании, например, зданий
радиоэлектронной промышленности с особо чистыми производствами, для которых недопустимо
влияние динамических воздействий даже от обычных автомагистралей, с чем в практике работы
НГПИ приходилось встречаться много раз.
2.20. С другой стороны также можно сказать, что об эффективности использования катковых
шаровых опор в сейсмостойком фундаментостроении известно давно. Но широкого распространения
они не получили из-за значительных горизонтальных смещений этих опор при сейсмических
воздействиях, при которых может произойти потеря устойчивости и обрушение здания. Поэтому
сейсмоизоляция с катковыми (кинематическими опорами) может использоваться в комплексе с
дополнительными средствами, например, изложенными выше.
2.21. Техническим решением НГПИ по патенту СССР № 1774976 (приоритет от 13.09.90)
предусмотрено использование в качестве варианта шаровых опор каменных валунов окатанной
формы. Принцип работы их тот же. В 1988-90 годах при проектировании институтом объектов в
Ташкенте и Алма-Ате в составе сейсмоизолирующего основания использовались каменные валуны
двух типоразмеров (что отмечено в разделе 1).
2.22. Аналогичное решение оказалось целесообразным для применения при строительстве в
Новосибирске и в несейсмических условиях. В ходе эксплуатации существующие здания и
сооружения, расположенные вблизи трассы метро мелкого заложения, испытывают повышенные
вибрации. В рассматриваемом случае на месте предполагаемого размещения производственного
корпуса трасса метро залегала непосредственно под проектируемым зданием. Кроме того,
необходимо было учесть еще и влияние динамических воздействий при прохождении поездов, рядом
расположенной трассы железнодорожной магистрали.
Учитывая изложенное, НГПИ было принято решение в качестве искусственного основания под
фундаментной плитой разложить в шахматном порядке каменные валуны, между ними в
промежутках уложить валуны меньшей высоты. Затем засыпать шлак на высоту более крупных
камней.
2.23. Принцип работы конструктивного решения заключается в следующем. Вертикальные
нагрузки воспринимаются в основном точечными более высоко расположенными опорами,
вдавливаемыми в грунт по мере возведения здания. Засыпка (шлак) тоже участвует в работе, но
остается слабоуплотненной. Промежуточные опоры воспринимают вертикальные нагрузки поразному, в зависимости от их высоты. В основном они включаются в работу при нарастании
вертикальных нагрузок, например, при вертикальных динамических воздействиях. Их основное
14
предназначение (как мгновенно включающихся и выключающихся связей) «сбить» шаг между
основными опорами, изменить жесткость основания и тем самым не допустить резонанса.
В целом предложенная конструкция обеспечивает саморегулирование нагрузок и осадок. Не
полностью уплотненная шлаковая засыпка, наличие рулонной гидроизоляции повышают
демпфирование нагрузок. Слой шлака способствует снижению уровня шума снизу, который слышен
в ночное время при прохождении поездов метро.
2.24. В конкретных случаях могут использоваться не только каменные валуны, но и
специально выполненные шаровые опоры из бетона, железобетона или даже стальные (цельные из
металла или пустотелые).
2.25. Проблема сейсмозащиты чрезвычайно сложна. Изменением грунтовых условий,
например, на контакте фундамента и основания можно решить эту важную задачу. Повышение
сейсмостойкости и надежности объектов при замене вертикальных стен подвалов наклонными
откосами является также оптимальным с учетом наиболее прогрессивных требований так
называемой «гибкой» технологии (например, для широких корпусов радиоэлектронной
промышленности и других объектов), что существенно снижает материалоемкость и стоимость их
строительства [6].
ЛИТЕРАТУРА (по разделу 2)
1. СП 14.13330.2011 (СНиП II-7-81*) Строительство в сейсмических районах
2. Абелев Ю.М., Абелев М.Ю. Основы проектирования и строительства на просадочных макропористых грунтах. М.:
Изд-во литературы по строительству, 1968.-с.302-305.
3. Шишков Ю.А. Предложения по применению сплющивающихся свай в сейсмических условиях (Труды 5-й
Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения. Том 3). г.Пермь.1996.-с35-39.
4. Шишков Ю.А., Грохотов В.И. Опыт проектирования сейсмостойких зданий и сооружений в Республике Алтай.
«Проектирование и строительство в Сибири».-2004.-5.-с.22-27.
5. Шишков Ю.А. Повышение сейсмостойкости зданий при строительстве на слабых грунтах. «Проектирование и
строительство в Сибири».-2005 .-1.-С.36-40.
6. Шишков Ю.А. Повышение сейсмостойкости зданий и сооружений с наклонными стенами подвалов. «Жилищное
строительство».-2013.-9.-с.22-24
15
РАЗДЕЛ 3. СЕЙСМОСТОЙКИЕ ФУНДАМЕНТЫ УНИКАЛЬНЫХ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ И
СООРУЖЕНИЙ БАШЕННОГО ТИПА
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. Проектирование и строительство сейсмостойких зданий повышенной этажности, как
показывает практика (например, 16-ти этажей и выше, а тем более до 30-ти), представляет собой
весьма сложную, но все же, как правило, оптимально решаемую инженерную задачу.
С учетом еще большего повышения высотности зданий усложняются проектные решения их, в
том числе фундаментов, совершенствуются и несущие каркасы, а также изменяется конфигурация в
плане и по высоте, используются новейшие достижения техники по применению, в частности,
сверхпрочных строительных материалов и т.п.
С целью снижения негативного влияния ветровых и сейсмических нагрузок высотные здания и
сооружения приобретают более плавные очертания, например, от прямоугольных, приближающихся
к квадратным в плане (в том числе с закругленными углами), круглых, либо, возможно, в виде
трилистника, усеченной пирамиды по вертикали и т.д. При значительной высоте их, достигающей
200-400 м, принимаемой, как правило, максимальной при конкретном проектировании с учетом
функционального назначения и престижа (имеющего немаловажное значение), а также
градостроительных и нормативных требований, такие объекты можно отнести к уникальным
высотным зданиям и сооружениям башенного типа.
1.2. В данном разделе рассматриваются технические решения подвальных пространств
объектов, включающих каркас подземной части (расположенный в многоярусном подвале на
плитном автономном фундаменте с элементами универсальной сейсмозащиты и надежном
искусственном основании под ним), обратную засыпку пазух с наклонными откосами вместо стен
подвалов из материалов, поглощающих сейсмические колебания, а также внешний (по существу
дополнительный, но основной) фундамент стаканного типа по контуру котлована
многофункционального назначения, обеспечивающий:
 первоначально возможность выполнения СМР в глубоком котловане, а также защиту от
грунтовых вод в ходе строительства и эксплуатации;
 снижение сейсмических воздействий при работе в качестве экрана с учетом наружных
наклонных стен и замены вертикальных стен подвала наклонными стенами-откосами;
 повышение несущей способности и устойчивости при работе на вертикальные и
горизонтальные нагрузки за счет включения в работу наклонных стен по контуру котлована
(по аналогии с пирамидальным фундаментом);
 снижение отклонения (крена) надземной части здания или сооружения от вертикального
положения в ходе строительства и эксплуатации, так как высотные здания башенного типа
(как показывает практика) весьма уязвимы в этом отношении с учетом многих факторов, в
том числе трудно поддающихся точному расчету);
 снижение сейсмичности и максимальное повышение надежности с учетом изложенных, а
также возможно и других предложений при конкретном проектировании.
Аналогичные технические решения сейсмостойких фундаментов и подвалов зданий
повышенной этажности были изложены ранее в ряде публикаций [1-4] и др., в том числе для
обычных, а также просадочных и слабых грунтов.
2. ОБЩИЕ ДАННЫЕ
2.1. Обеспечение несущей способности и надежности надземной части высотных объектов
башенного типа из-за их специфики является очень сложным и проблематичным. Учитывая это, в
дополнение к традиционным предлагаются и другие пути решения этой проблемы, прежде всего
направленные на максимальное усиление грунтов основания и фундаментов, с которыми, как
известно, надземная часть работает совместно. Иными словами, повышая несущую способность
основания и фундаментов, можно дополнительно усилить и надземную часть, а также повысить в
целом надежность объектов.
2.2. Поэтому, учитывая особую уникальность объекта,
при использовании систем
сейсмоизоляции с учетом п.4.6 СП 14.13330.2011 (СНиП II-7-81*) предполагается осуществление его
строительства на специально выбранной площадке с благоприятными грунтовыми условиями,
соответствующими I-ой категории по сейсмическим свойствам, мощностью более 30 м от
планировочной отметки согласно указанному СП табл.1, примеч. п.4. Очень важно, что при этом
16
условии фоновая сейсмичность района площадки может быть снижена на 1 балл, что является весьма
существенным.
2.3. Принимая высокую сейсмичность можно полагать, что речь идет о горной местности с
выходом скальных пород, залегающих, как правило, до поверхности или близко к ней, хотя бы на
отдельных участках. Выбор оптимального варианта площадки со скальными грунтами при желании
вполне обоснован и реален, что подтверждается, например, опытом строительства первого моста
через реку Обь в г.Новосибирске, причем даже в несейсмических условиях и в основном на
равнинной местности.
2.4. Как исключение (при конкретном проектировании) в качестве основания могут быть
приняты грунты II-й категории по сейсмическим свойствам при условии улучшения их до
соответствия I-ой категории по аналогии с рекомендациями в монографии [5] на стр.349,356-357,427.
2.5. Наиболее полный технический анализ решений, проблем и геотехнического обоснования
высотного и подземного строительства изложен также в трудах Международной конференции в г.СПетербурге в 2008 году [6].
2.6. Объемное решение сооружения башенного типа, как наиболее оптимальное в виде
усеченной пирамиды с наклонными гранями принято условно из книги американского конструктора
В.Шуллера «Конструкции высотных зданий», стр.107 [7].
2.7. Можно также отметить, что аналогичное (или весьма близкое) принципиальное решение
башни предполагается для строительства в г.Грозном (судя по фотографии с макета, представленного
на презентации в этом городе, опубликованной 23.08.2013 г. газетой «Комсомольская правда»).
2.8. Конструкции каркаса надземной части в данной статье не рассматривались.
Предполагается, что каркас ее стальной пространственный с колоннами, ригелями, обвязочными
балками и наклонными диагональными связями по наружному периметру.
Причем
диагональные связи вместе с колоннами и обвязочными балками не только обеспечивают
жесткость при работе каркаса на горизонтальные нагрузки, но и частично работают как
наклонные колонны на вертикальные нагрузки. Согласно работе [7] такая система наиболее
эффективна для очень высоких зданий.
2.9. Дополнительно в целях повышения надежности (прочности, жесткости и пожарной
безопасности) можно рекомендовать в конкретном проекте предусмотреть обетонировку (с
армированием) стальных наружных (по всей высоте здания), а также внутренних колонн подвальных
и нижних этажей.
2.10. В рассматриваемом случае с учетом повышения надежности предполагается также, что
объект при землетрясениях в результате толчков может подвергаться воздействию не только
горизонтальных, но также наклонных и значительных вертикальных сейсмических нагрузок в
различном сочетании их с короткими промежутками по времени между ними (как это произошло,
например, при землетрясении в Ленинакане 7 декабря 1988 г.), так как расположен условно в
эпицентральной зоне с расчетной сейсмичностью 9 баллов [8].
2.11. На основе имеющегося опыта проектирования попытаемся сформулировать основные
критерии решения поставленной задачи и принципы выбора наиболее оптимальных решений в
общем виде, хотя в каждом конкретном случае, конечно, могут возникнуть и дополнительные факторы, требующие уточнения.
Эти критерии и принципы следующие:
 зависимость надежности зданий при землетрясениях от правильности их объемнопланировочных и конструктивных решений, а также мер активной сейсмозащиты на контакте
грунтов оснований и подземной части на различные виды сейсмических воздействий (с
учетом п.4.6 вышеуказанного СП);
 допущение возможности местных повреждений отдельных конструкций, согласно СП
14.13330.2011 (СНиП II-7-81*) табл.5, что может быть целесообразно экономически, а в
отдельных обоснованных случаях и технически. Такое допущение должно быть
предусмотрено заранее при проектировании и при условии гарантированного обеспечения
безопасности людей, а также несущей способности и устойчивости каркаса здания в целом;
 максимальное заглубление подземной части зданий в грунты оснований является
оптимальным, как с целью снижения сейсмических воздействий, так и обеспечения
устойчивости надземной части;
 необходимость учета крутящего момента относительно вертикальной оси здания или
сооружения согласно п.5.15 вышеуказанного СП.
17
3. ПРИНЯТЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ
3.1. Схема сейсмостойкого здания (сооружения) условно показана на рис.1.
Рис.1. Схема сейсмостойкого
высотного здания
(сооружения) башенного типа
с подвалом
1.
2.
Надземная часть
Подземная
часть
(включая
подвал
и
монолитные
железобетонные
фундаменты по контуру
котлована)
При реальном проектировании необходимо учитывать весь комплекс взаимосвязанных
конструктивных решений, изложенных выше, приводящих к снижению сейсмических воздействий.
3.2. Основной
отличительной
особенностью
проектных
предложений
является
первоочередное выполнение конструкций котлована с укрепленными откосами в виде наклонных
стен по периметру здания.
3.3. Подземная часть многоэтажного каркасного здания максимально заглублена ниже
нулевой отметки, предположительно, на 3-5 этажа, в которых могут размещаться, например,
вспомогательные производственные и складские помещения, что является оптимальным с учетом
технологических требований и обеспечения устойчивости здания, а также уплотнения городской
застройки и высокой стоимости земельных участков. Причем согласно рекомендациям
вышеуказанного СП п.4.7 на нижнем подвальном этаже должна быть предусмотрена установка
станции наблюдения за динамическим поведением конструкций и грунтов, а также контроля за
элементами сейсмоизоляции согласно п.6.17.12.
3.4. На рис.2 показан фрагмент подземной части здания, включая конструкции фундамента
на катковых шаровых опорах, после его возведения и стабилизации осадок.
18
Рис.2 Фрагмент поперечного разреза здания, защитного экрана и котлована
1. Гравийно-песчаная подушка
2. Обетонированные поверхности котлована (стен и днища) монолитным железобетоном
3. Сейсмоизоляция боковых поверхностей стен и днища
4. Монолитный железобетонный коробчатый фундамент в виде плиты, жестко соединенной с боковыми
наклонными стенами по периметру
5. Промежуточная подушка из слабосжимаемого грунта
6. Основные катковые опоры большого диаметра с демпферными прокладками
7. Промежуточные катковые опоры меньшего диаметра
8. Фундаментная плита из двух слоев разной прочности
9. Наружные наклонные колонны каркаса
10. Внутренние вертикальные колонны каркаса
11. Засыпка из материала, поглощающего сейсмические колебания
12. Наклонные откосы в пределах этажей
13. Упоры с демпферными устройствами
14. Распорки (с демпферами) между наклонными стенами коробчатого фундамента и каркасом подвальной части
(показаны условно)
15. Выносные горизонтальные пояса-экраны
4. РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ПОРЯДОК ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫХ РАБОТ
4.1. После выполнения котлована производится отсыпка горизонтальной гравийно-песчаной
подушки 1 в основании днища запроектированных фундаментов; выравнивание наклонных откосов
обетонированием их поверхностей монолитным железобетоном 2 в виде подготовки повышенной
прочности, а затем и по горизонтальной подушке с предварительной укладкой по верху ее
герметизирующего материала (не показано) для предохранения от протечки цементного молока при
бетонировании.
4.2. После чего выполняется гидроизоляция из геомембраны-экрана, являющейся
одновременно сейсмоизоляцией 3 (например, 2-слойной из плоского и гофрированного полимерных
листов для создания сминаемого зазора между ними и повышения демпфирования боковых
поверхностей стен котлована, а также из 2-х плоских листов в уровне днища, учитывая значительные
нагрузки сжатия).
4.3. После бетонирования внутренних стен по периметру котлована и плиты днища
пространственного в виде чаши коробчатого фундамента 4 обеспечиваются благоприятные условия
для выполнения дальнейших строительных работ. Отметим особо, что принятое решение о
строительстве объекта на скальных грунтах максимально повысило надежность оснований и
фундаментов, исключило необходимость их усиления и применения традиционных свайных
фундаментов, существенно снизило трудоемкость строительства и его стоимость.
4.4. Промежуточная подушка 5 между коробчатым фундаментом 4 и автономным
фундаментом 8 выполняется из слабосжимаемого песчано-гравийного грунта с включением в ее
составе сборных железобетонных шаровых опор большего 6 и меньшего 7 диаметров, разложенных в
толще подушки в особом порядке, как в плане, так и по высоте. Решение защищено патентом СССР
№ 1774976 [9]. Использовалось институтом при проектировании объектов отрасли в 90-х годах
прошлого столетия, имеется ряд публикаций по этому вопросу, в том числе за рубежом, причем для
различных вариантов решений фундаментов и оснований. Например, статья в журнале БСТ № 9 в
1995 году «Сейсмостойкие железобетонные плитные фундаменты на катковых опорах».
4.5. При строительстве новых объектов на Алтае после землетрясения там в 2003 году
институтом Запсибнипиагропром в качестве варианта шаровых опор были применены каменные
валуны 2-х типоразмеров с демпферными прокладками по верху из двух сплошных полимерных
листов ЗАО «Техполимер».
19
4.6. Основные опоры 6, на которые частично опирается фундаментная плита, и
дополнительные, промежуточные опоры 7 меньшего размера, укладывают с таким расчетом, чтобы
между ними и низом фундаментной плиты 8 было расстояние, ориентировочно равное ожидаемой
осадке плиты после возведения здания (на рис.2 не показано).
4.7. По верху крупных опор 6 выполняются упругие прокладки, например, из нескольких
слоев полимерных листов. Пространство между опорами заполняется сыпучим материалом (песком)
с целью образования условного (сминаемого) зазора для последующей осадки плиты при возведении
здания с таким расчетом, чтобы прослойка из сыпучего материала после окончательной
стабилизации осадок опор 6 (см. узел А) осталась менее уплотненной, чем под опорами 6. В итоге
нагрузки на основание под фундаментом 8 воспринимаются в основном в виде равномернораспределенных под подошвой, а также сосредоточенных под катковыми опорами 6.
4.8. Фундаментная плита 8 состоит из двух слоев разной прочности: нижний слой из бетона
на крупном щебне меньшей прочности (класса В10-В15), верхний – из более прочного бетона с
усиленным армированием. При конкретном проектировании нижняя зона верхнего слоя плиты в
местах опирания шаровых опор 6 может быть усилена сетками косвенного армирования и даже
стальными листами.
4.9. Обратная засыпка 11 предусмотрена из материала, поглощающего сейсмические
колебания. Традиционные стены подвальных этажей здания заменены наклонными откосами 12,
расположенными частично на перекрытиях в пределах высоты каждого этажа. С целью повышения
сейсмостойкости в составе откосов может быть предусмотрено устройство экранов из
геосинтетических материалов. Поверхности откосов облицованы сборными плитами.
5. О РАБОТЕ КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНОЙ ЧАСТИ
НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ
5.1. Распространяемые в грунте колебания встречают на пути преграду в виде сплошного
экрана с наклонными стенами 2 и горизонтальным днищем. Частично колебания отражаются и
рассеиваются в окружающем грунте, а частично поглощаются самим экраном 2.
При очень сильных сейсмических воздействиях, в ходе которых экран будет подвергаться
горизонтальным и вертикальным смещениям, наклонам и т.п., какая-то часть колебаний передается и
на искусственно созданное грунтовое основание внутри экрана со стороны днища и боковых
поверхностей, а также на конструкции защищаемого здания.
Значительная часть их будет поглощаться или снижаться в результате предусмотренных
конструктивных мероприятий, обеспечивающих демпфирование горизонтальных и вертикальных
толчков, уменьшающих тем самым до минимума сейсмические воздействия.
5.2. Благодаря принятому решению сейсмические волны при землетрясениях не встречают
стен подвала здания, так как наклонные откосы 12 будут выполнять роль "смещающихся
поверхностей", в результате чего общая площадь боковой поверхности строительных конструкций
стен подвала, воспринимающая горизонтальные сейсмические нагрузки, действующие на подвальную часть, снижается в 10-15 [1] и более раз. Но и это еще не все возможности принятых
конструктивных решений по повышению сейсмостойкости и надежности.
5.3. Относительно слабое сейсмическое воздействие на фундаментную плиту 8 гасится
дополнительной осадкой катковых шаровых опор 6 в сжимаемом верхнем слое промежуточной
подушки 5 и упругостью прокладок, а также проворачиванием или смещением этих опор на менее
уплотненном участке подушки из сыпучего материала.
5.4. Работа шаровых опор 6 в рассматриваемом случае отличается от работы традиционных
чисто кинематических катковых опор. Шаровые опоры в виде включений в составе подушки (как
несущего единого основания) будут выполнять роль шарнирных, обеспечивающих возможность
поворота их на небольшой угол в одних случаях при раскачке, в других — возможность смещений
при горизонтальных воздействиях.
Принцип работы их заключается в следующем. Вертикальные нагрузки воспринимаются в
основном точечными более высоко расположенными опорами, вдавливаемыми в грунт по мере
возведения здания. Засыпка тоже участвует в работе, но остается слабоуплотненной. Промежуточные
опоры воспринимают вертикальные нагрузки по-разному, в зависимости от их высоты. В основном
они включаются в работу при нарастании вертикальных нагрузок. Их основное предназначение (как
20
мгновенно включающихся и выключающихся связей) «сбить» шаг между основными опорами,
изменить жесткость основания и тем самым не допустить резонанса.
5.5. В целом предложенная конструкция обеспечивает саморегулирование нагрузок и осадок.
5.6. В конкретном случае могут быть предложены для использования природные местные
материалы (каменные валуны, песок), обладающие значительной долговечностью и низкой
стоимостью [9]. Высокое качество работ не требуется.
Наоборот – некоторое отличие по размерам валунов, не строго четкое их размещение и т.д.
сбивает шаг между опорами при сильных землетрясениях, что способствует снижению или полному
исключению резонанса.
5.7. При использовании изложенных решений надежность объектов с каждым новым
сейсмическим толчком не снижается, а наоборот может повышаться. Это объясняется тем, что в
период длительной эксплуатации в районах с повышенной сейсмической активностью проявляются
частые незначительные сейсмические толчки силой, например, 3-5 баллов и происходит поэтапное
демпфирование и как бы «постепенное» приспособление конструкций фундамента к восприятию
более сильных землетрясений силой 7-9 баллов.
5.8. При более значительном сейсмическом воздействии на площадке (7-9 баллов)
демпфирование фундамента обеспечивается местным смятием бетона нижнего слоя фундаментной
плиты в местах опирания опор 6. Промежуточные катковые опоры 7, имеющие меньший диаметр,
включаясь в работу периодически, выполняют роль мгновенно изменяемых связей, что позволяет
избежать явления резонанса. Кроме того, они могут воспринимать часть вертикальных нагрузок, если
осадка основных опор 6 превысит предполагаемую расчетом.
6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЙ (СООРУЖЕНИЙ)
6.1. Устойчивость каркаса подземной части здания обеспечивается:
6.2. наличием упора 13 с демпферными устройствами в уровне фундаментной плиты с
ограничением возможности смещения ее в горизонтальном и вертикальном направлениях;
6.3. устройством распорок 14 в верхней части подвала в уровне перекрытий при наличии 3-х
и более этажей с аналогичными демпферными прокладками;
6.4. выполнением выносных горизонтальных поясов-экранов 15 из плит, шарнирно
прикрепленных к плитам перекрытий, и ограничением угла поворота их для обеспечения упора в
грунте засыпки 11;
6.5. наличием наклонных стен 2, 4, включающихся в работу при опрокидывании здания.
Наклонные стены 4 могут быть плоскими или ребристыми в зависимости от их высоты. В
особых случаях они могут быть раскреплены системой связей (на рис.2 не показано).
6.6. При конкретном проектировании устойчивость автономного фундамента 8 (имеющего
большие габариты) может быть повышена устройством дополнительных сквозных анкерных опор в
плите 8 с уширениями в нижней зоне в скальном грунте и консольными уширениями и демпферами в
верхней (над плитой) для гашения вертикальных колебаний.
6.7. Предлагаемые решения позволяют не только значительно повысить надежность зданий и
сооружений для принятых экстремальных условий, но и обеспечить максимальную их этажность, а
также устойчивость.
7. ВЫВОДЫ, ПРЕДЛОЖЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ
7.1. Снижение расчетной сейсмичности района строительства на 1 балл благодаря принятым
оптимальным геологическим условиям и дополнительно еще на 1-2 балла согласно комплексу
строительных решений с элементами сейсмозащиты является большим достижением. Но для особо
уникальных объектов, учитывая целесообразность повышения их надежности, рекомендуется
принимать расчетную сейсмичность в размере 7 баллов, то есть на 2 балла менее в сравнении с
исходной, условно принятой в размере 9 баллов.
7.2. Указанное снижение балльности приведет к уменьшению сейсмических нагрузок не
менее чем в 4 раза. В этом случае более существенными по своему значению при проектировании
станут ветровые нагрузки, условно принятые для V ветрового района.
7.3. Принятая сейсмозащита является универсальной, обеспечивающая защиту от различных
видов сейсмических воздействий, в том числе с различных глубин и направлений их, а также по
21
времени между толчками. В ряде случаев принятые решения сейсмозащиты дублируют друг друга,
что в целом повышает надежность зданий (сооружений).
7.4. Несущие конструкции подвальной части многоэтажного каркасного здания расположены
на автономном фундаменте и искусственном основании (см. пункт 1.2 раздела 3), являющемся по
существу буферной зоной между ними и естественными грунтами по периметру котлована.
7.5. При этом разница осадок колонн каркаса подвала и коробчатого фундамента по контуру
котлована практически нулевая, что повышает надежность упоров 13 и распорок 14 с демпферными
устройствами.
7.6. Необходимо особо подчеркнуть, что возможности повышения сейсмостойкости и
надежности не определяются только изложенными решениями, так как объем рекомендаций
ограничен. Возможны и другие варианты при реальном проектировании (например):
 применение катковых шаровых опор, расположенных в круглых выемках в плане по авт.свид.
СССР № 1723263, 1992 г.;
 при необходимости повышения жесткости каркаса подземной части могут быть
предусмотрены металлические портальные или крестовые связи-энергопоглотители с
креплением их на фасонках кольцевого типа для обеспечения эффекта демпфирования;
 устройство экранов в грунте по периметру котлована (на некотором удалении от стен 2) из
скважин внутреннего и внешнего рядов, расположенных в шахматном порядке и заполненных
сейсмопоглощающим материалом по авт.свид. СССР № 1629416, 1991 г. (данное решение
использовалось НГПИ при разработке проектов по объектам отрасли в 80-х годах прошлого
столетия, а также институтом Запсибнипиагропром при проектировании и усилении объектов
на Алтае после землетрясения там в 2003 году) и т.д.
7.7. Как ни парадоксально, но по всей вероятности наиболее сложные и труднорешаемые
проблемы возникнут в надземной части высотных зданий и сооружений из-за повышенных ветровых
нагрузок с учетом требований СП 20.13330.2011 (СНиП 2.01.07-85*). Это касается в первую очередь
допустимости предельных прогибов и перемещений, а также обеспечения несущей способности и
долговечности наружных ограждений из стекла.
7.8. С целью снижения влияния ветровых нагрузок на здание (а также использования его в
качестве телебашни) возможен в порядке компромисса альтернативный (комбинированный) вариант
объемно-планировочного решения, нижняя часть которого до высоты, определяемой по расчету,
представляет здание с перекрытиями и наружным ограждением. Средняя зона – снаружи открытые
несущие конструкции без наружного стенового ограждения и без перекрытий с закрытым стволом и
перекрытиями для обслуживания лифтов и коммуникаций во внутренней центральной зоне. Верхняя
зона – технические этажи с учетом временного пребывания персонала, с перекрытиями и наружным
ограждением по периметру башни. Конечно, это предложение должно быть обосновано
нормативными требованиями, а также расчетами генпроектировщиком и принято заказчиком.
7.9. Пользуясь изложенными рекомендациями, в принципе можно запроектировать не только
высокие сейсмостойкие здания и сооружения, но и с учетом конкретных исходных данных объекты
меньшей этажности с учетом различных инженерно-геологических условий и другой объемной
компоновкой их надземной части.
7.10. По изложенным вопросам можно обращаться к автору (тел. 8-383-221-60-01; Email:ngpi.nsk@mail.ru.
ЛИТЕРАТУРА (ПО РАЗДЕЛУ 3)
1. «Сейсмостойкое здание или сооружение». Авторское свидетельство СССР приоритет от 18.12.89 г. (по заявке НГПИ)
№ 1673722, БИ№32, 1991
2. Шишков Ю.А. Технические решения фундаментов и подвалов зданий повышенной сейсмостойкости. «Известия
вузов».-1998.-10.-с.135-139
3. Шишков Ю.А. Устройство нулевого цикла сейсмостойкого здания в слабых грунтах. «Механизация строительства».1999.-5.-с.28-30
4. Шишков Ю.А. Технические решения фундаментов и подвалов зданий повышенной сейсмостойкости в просадочных
грунтах. (Труды III-го Центрально-Азиатского Международного Геотехнического Симпозиума «Геотехнические
проблемы строительства на просадочных грунтах в сейсмических районах») г.Душанбе, 2005 г., том I, с.222-225
5. Ставницер Л.Р. Сейсмостойкость оснований и фундаментов. М., Изд-во АСВ.-2010
6. Геотехническое обоснование высотного и подземного строительства – 14 докладов 39-ти авторов на секции 4 (Труды
Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство») г.С-Петербург,
2008 г., том 4 под ред. проф. Улицкого В.М., с.467-540
22
7. В.Шуллер. Конструкции высотных зданий. М., Стройиздат, 1979 (Перевод с английского к.т.н. Л.Ш.Килимника под
ред. Г.А.Казиной)
8. Шишков Ю.А. «Читая Ваш журнал» (О причинах разрушения зданий в Ленинакане во время землетрясения 7 декабря
1988 г.). «Жилищное строительство».-1996.-6.-с.26
9. «Фундамент сейсмостойкого здания, сооружения». Патент СССР (приоритет от 13.09.90 по заявке НГПИ) № 1774976,
БИ № 41, 1992
10. Шишков Ю.А. Сейсмостойкие фундаменты на катковых опорах. «Жилищное строительство».-1997.-2.-с.10-11
Оглавление
АННОТАЦИЯ
РАЗДЕЛ 1. ПОВЫШЕНИЕ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЗДАНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА СЛАБЫХ
ГРУНТАХ
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ПРИНЯТЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ
ЛИТЕРАТУРА (по разделу 1)
РАЗДЕЛ 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ И ПОДВАЛОВ ЗДАНИЙ ПОВЫШЕННОЙ
СЕЙСМОСТОЙКОСТИ В ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ
1. ВВЕДЕНИЕ
2.ПРИНЯТЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ
ЛИТЕРАТУРА (по разделу 2)
РАЗДЕЛ 3. СЕЙСМОСТОЙКИЕ ФУНДАМЕНТЫ УНИКАЛЬНЫХ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ И
СООРУЖЕНИЙ БАШЕННОГО ТИПА
1. ВВЕДЕНИЕ
2.ОБЩИЕ ДАННЫЕ
3.ПРИНЯТЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ
4.РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ПОРЯДОК ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫХ РАБОТ
5.О РАБОТЕ КОНСТРУКЦИЙ ПОДЗЕМНОЙ ЧАСТИ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ
6.ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЙ (СООРУЖЕНИЙ)
7.ВЫВОДЫ, ПРЕДЛОЖЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ
ЛИТЕРАТУРА (ПО РАЗДЕЛУ 3)
4
4
4
5
9
10
10
10
14
15
15
15
17
18
19
20
20
21
Рекомендации по проектированию сейсмостойких фундаментов объектов повышенной
этажности, в том числе для уникальных высотных зданий и сооружений башенного типа. Шифр ТРНГПИ-13 (вып.2). Новосибирск, 2013 г.
Компьютерная верстка редактора Селиховой Л.Г. (т.8383-2201-448).
Рекомендации варианта в виде брошюры или в электронной версии (печать 2-сторонняя
согласно оригиналу на 37 страницах в формате А4, согнутом пополам) могут быть высланы
заказчикам обычной почтой или в электронном виде согласно предварительной договоренности с
автором-разработчиком (либо приобретены в центре по распространению нормативно-технической
литературы ООО «Строительные ведомости» в г.Новосибирске, тел.8-383-308-09-67,
E-mail:svnti@mail.ru).