Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

ПРИНЦИПЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ (НА ПРИМЕРЕ Г. МОСКВЫ)

Специальность 25.00.08 "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение"

ЖИДКОВ РОМАН ЮРЬЕВИЧ

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Экзарьян В.Н.

Москва - 2012

Содержание

• Введение
• Глава 1. Современное состояние проблемы проведения инженерно-геологических изысканий для высотного строительства
• 1.1 Высотное строительство: понятие термина, история становления и перспективы развития за рубежом и в России
• 1.2 Инженерно-геологические изыскания для высотного строительства на территории России. Современное состояние вопроса. Анализ существующей нормативно-правовой базы
• 1.3 Мировой опыт проведения инженерно-геологических изысканий для высотного строительства. Примеры из практики
• Выводы по главе 1
• Глава 2. Принципы проведения инженерно-геологических изысканий для высотного строительства
• 2.1 Принцип этапности работ
• 2.2 Принципы альтернативности местоположения
• 2.3 Принцип перманентного моделирования
• 2.4 Принцип многовариантного проектирования
• 2.5 Принцип мониторинга
• 2.6 Принцип научно-методического сопровождения
• Выводы по главе 2
• Глава 3. Оценка условий освоения подземного пространства г. Москвы для целей высотного строительства
• 3.1 Изученность инженерно-геологических условий территории г. Москвы. Проблема обобщения и систематизации фондовых материалов
• 3.2 Особенности условий освоения подземного пространства г. Москвы для строительства высотных зданий
• 3.3 Разработка трехмерной компьютерной модели геологического пространства г. Москвы и ее применение в качестве геологической основы для размещения высотных зданий в пределах городской территории
• Выводы по главе 3
• Глава 4. Опыт проведения инженерно-геологических изысканий для проектирования и строительства объектов ММДЦ "Москва-Сити"
• 4.1 Общая характеристика территории ММДЦ "Москва-Сити"
• 4.2 Геологическое строение
• 4.3 Гидрогеологические условия
• 4.4 Инженерно-геологическая схематизация массива
• 4.5 Конструктивные особенности сооружений ММДЦ "Москва-Сити"
• 4.6 Инженерно-геологические изыскания для строительства сооружений ММДЦ "Москва-Сити"
• Выводы по главе 4
• Общие выводы
• Список литературы
• Табличные приложения
• Приложение 1. Сопоставление стратиграфических подразделений легенды, принятой в работе и легенды ГУП "МОСГОРГЕОТРЕСТ"
• Приложение 2. Сводная таблица физических и физико-механических свойств грунтов, полученных по результатам инженерно-геологических изысканий на разных участках ММДЦ "Москва-СИТИ"

Введение

Актуальность работы. Сегодня в крупных городах мира, и в том числе в г. Москве, все сильнее назревает проблема дефицита территории, отводимой под застройку. Приоритетными градостроительными направлениями становятся высотное и подземное строительство. При всей их перспективности, процесс проектирования и строительства высотных и заглубленных сооружений сопряжен с рядом трудностей, в значительной мере предопределенными инженерно-геологическими условиями. К особенностям высотных зданий, предопределяющим специфику инженерно-геологических изысканий, относятся повышенные, часто неравномерные нагрузки на фундаментные основания, в большинстве случаев значительные величины их заглубления, и, как следствие, большие радиусы влияния сооружений, уязвимость от сейсмических воздействий. Все эти факторы взаимосвязаны, вследствие чего процесс проведения инженерно-геологических изысканий для строительства высотных объектов переходит на качественно новый уровень и перестает укладываться в традиционную схему.

В процессе проведения инженерно-геологических изысканий для строительства высотных сооружений на урбанизированных территориях часто невозможно проведение всеобъемлющего комплекса полевых работ, что обусловлено наличием на строительных площадках существующих сооружений, перегруженностью подземного пространства тоннелями и коммуникациями, административными ограничениями. В то же время территории крупных городов характеризуются высокой степенью геологической изученности - наличием в геологических фондах значительных массивов архивных материалов (результатов инженерно-геологических изысканий прошлых лет) и крупномасштабных геологических карт, которые при условии их унификации и аналитической обработки могут служить хорошей основой для осуществления геологического обеспечения градостроительной деятельности, в том числе с применением технологий трехмерного компьютерного моделирования.

Современный этап развития высотного строительства как градостроительного направления в России характеризуется значительной интенсивностью на фоне последних десятилетий, в результате чего проектирование высотных зданий ведется в условиях минимального практического опыта и несовершенства научно-методической базы в области проведения инженерно-геологических изысканий. Инженерно-геологические изыскания часто выполняются формально и в полном отрыве от процесса проектирования, в результате чего возможно принятие экономически неэффективных проектных решений и увеличение рисков, связанных со строительством и эксплуатацией высотных зданий. Не менее важен вопрос временных затрат - по статистике на строительство подземной части высотных сооружений тратится 10-30 % от бюджета проекта и до 40 % времени строительства [58].

В свете вышеизложенного, актуален вопрос разработки научно-методической базы для проведения инженерно-геологических изысканий для строительства высотных зданий и сооружений, основанной на опыте геологического сопровождения крупнейших зарубежных и отечественных высотных проектов. Последние должны учитывать регионально-геологические условия и удовлетворять требованиям территориальных и федеральных нормативно-правовых актов.

Под инженерно-геологическими изысканиями традиционно понимаются инженерно-геологические работы производственного характера, выполняемые при проектировании, строительстве и эксплуатации различных сооружений [3]. В контексте данной работы в этот термин вкладывается несколько более широкое понятие, включающее в себя исследования, связанные с обоснованием и планированием строительства сооружений на региональном уровне.

Цель работы заключается в разработке научно-методических положений, направленных на оптимизацию процедуры проведения инженерно-геологических изысканий на всех этапах проектирования высотных зданий и апробации их в условиях современной геологической изученности г. Москвы.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

· аналитический обзор и обобщение отечественных и зарубежных материалов, посвященных проблеме проведения инженерно-геологических изысканий для высотного строительства;

· разработка принципов и обобщенного алгоритма проведения инженерно-геологических изысканий при проектировании высотных зданий, учитывающих специфику их строительства и эксплуатации;

· разработка специальной объемной компьютерной инженерно-геологической модели территории г. Москвы для создания геологической основы территориального планирования высотного строительства;

· анализ применимости различных методов инженерно-геологических изысканий при проектировании и строительстве высотных зданий в г. Москве;

· апробация выполненных научно-методических разработок при проведении инженерно-геологических изысканий для проектирования высотных объектов в г. Москве.

Научная новизна проведенного исследования заключается в следующем:

· Сформулированы принципы проведения инженерно-геологических изысканий для проектирования и строительства высотных сооружений.

· Разработан обобщенный алгоритм проведения инженерно-геологических изысканий для высотного строительства.

· Впервые построена трехмерная модель геологической среды г. Москвы, позволяющая выполнить оценку благоприятности размещения высотных сооружений в пределах городской территории.

Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертации положены материалы, полученные организациями НПО "НОЭКС" и НПП "Георесурс" при проведении инженерно-геологических изысканий под крупнейшие в России высотные объекты, осуществлении геологического картирования территории г. Москвы в масштабе 1:10 000 и трехмерного компьютерного моделирования геологической среды городской территории. Автор принимал непосредственное участие в проведении полевых работ, камеральной обработке материалов исследований, разработке программ инженерно-геологических изысканий для строительства ряда сооружений ММДЦ "Москва-Сити", обобщении и интерпретации фондовых материалов, построении геологических карт и компьютерных моделей. В работе использованы опубликованные отечественные и зарубежные материалы, посвященные разным аспектам методологии проведения инженерно-геологических изысканий для высотного и подземного строительства, проблематике применения геоинформационных систем в инженерной геологии и особенностям регионально- геологических условий Московского региона.

Практическая значимость и применение результатов работы. Результаты работы были использованы в процессе проведения инженерно-геологических изысканий и осуществления геотехнического сопровождения проектирования высотных сооружений комплекса ММДЦ "Москва-Сити". Результаты исследования могут быть применены при проведении инженерно-геологических изысканий для строительства высотных объектов в г. Москве и других регионах и использованы для совершенствования нормативно-правовой базы инженерно-геологических изысканий для высотного и подземного строительства.

Защищаемые положения:

1. Локализация высотных зданий и их комплексов в пределах городской территории на стадии градостроительного проектирования следует производить с учетом их размещения в подземном пространстве на основе крупномасштабной региональной трехмерной модели геологической среды.

2. Инженерно-геологические изыскания для высотного строительства должны быть направлены на разработку, поэтапную детализацию и трансформацию трехмерной модели взаимодействия проектируемого сооружения и окружающей среды.

3. Разработку программы инженерно-геологических изысканий на поздних стадиях проектирования высотных зданий следует осуществлять с позиций реализации принципа многовариантного проектирования и обеспечения кондиционными материалами прогнозных геомеханической и геофильтрационной моделей.

Публикации. Основные положения и выводы работы были изложены в публикациях в научных журналах и сборниках материалов конференций, в том числе в журналах "Инженерные изыскания" (№1, 2009; №8, 2011; реферируется ВАК), Вестник МГСУ (№4, 2009; реферируется ВАК).

Апробация. Результаты работы были доложены на конференциях: "4-е Денисовские чтения" (Москва, МГСУ, 2008); "11-е и 14-е Сергеевские чтения" (Москва, Институт Геоэкологии РАН, 2009, 2012), "10-я и 11-я международные конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, РГГРУ им с. Орджоникидзе, 2009 и 2011), "Геоинформатика-2011" (Киев, ВАГ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 118 наименований, содержит 2 табличных приложения. Работа объемом 203 стр., содержит 44 рисунка, 5 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, доктору геолого-минералогических наук В.Н. Экзарьяну и кандидату геолого-минералогических наук М.Н. Бучкину за чуткое руководство и всестороннее содействие на всех этапах диссертационного исследования. Также автор благодарит за помощь и поддержку к.г-м.н. Р.В. Вильковича, Е.Н. Леонова, А.К. Петрова, В.Н. Селезнева, к.т.н. М.И. Карабаева, всех сотрудников компаний НПО "НОЭКС" и НПП "Георесурс", сотрудников кафедр экологии и природопользования и инженерной геологии РГГРУ им С. Орджоникидзе.

Глава 1. Современное состояние проблемы проведения инженерно-геологических изысканий для высотного строительства

1.1 Высотное строительство: понятие термина, история становления и перспективы развития за рубежом и в России

Прежде чем перейти к особенностям процесса проведения инженерно-геологических изысканий для строительства высотных зданий, необходимо внести ясность в понятие термина "высотное строительство", который далеко не однозначен.

В настоящее время ни в России, ни за рубежом не существует единой классификации зданий по высоте или этажности. В рамках симпозиума Международного совета по строительству (CIB), состоявшегося в 1976 г. в Москве, была принята следующая классификация зданий по высотности: до 30 м - здания повышенной этажности, до 50, 75 и 100 м - сооружения, относящиеся к I, II и III категориям многоэтажных зданий соответственно, свыше 100 м - к высотным зданиям. Внутри группы высотных зданий в соответствии с этой классификацией прибегают к дополнительной рубрикации с градацией высоты в 100 м. За рубежом также распространено понятие "небоскреб", причем нижний предел высоты для этой категории зданий варьируется в зависимости от архитектурного пейзажа города, и составляет, как правило, 100-150 м. Небоскребы высотой более 300 м принято называть "сверхвысокими".

Московские градостроительные нормы определяют высотное здание как "здание высотой более 75 м, включающее гараж-стоянку, объекты обслуживания местного уровня для жителей и работающих в этом здании" [54], что связано с тем, что на предыдущих этапах градостроительного развития практика массового многоэтажного строительства была направлена на возведение сооружений высотой до 75 м.

При определении высотности зданий не учитывается длина их шпилей. К категории высотных зданий также не относятся телебашни, стелы, памятники и прочие сооружения, не предназначенные для жизни и работы людей.

В то же время, необходимо отметить, что в связи с конструктивным многообразием высотных зданий, не существует однозначной корреляции между высотностью и величинами и характером передачи нагрузок на фундаментные основания. Современные московские нормативы рассматривают процесс проектирования высотных зданий комплексно, в том числе с позиций таких направлений как расчет ветровых нагрузок и пожарная безопасность, связь которых с такими параметрами, как высота и этажность сооружения более выражена.

Рис. 1. "Home Insurance Building" - первое высотное здание в истории [118]

История становления высотного строительства за рубежом берет свое начало в США в конце XIX в. Важными предпосылками для этого стали такие конструктивные разработки, как замена чугунного каркаса зданий более легким и практичным стальным, появление первых лифтов, внедрение электрического освещения и применение систем электровентиляции. В 1883 г в Чикаго было построено здание "Home Insurance Building" - 10-этажное сооружение высотой 55 м, которое принято считать первым высотным зданием в истории (рис. 1). Это было инновационное для своего времени сооружение, несущими конструкциями которого стал металлический каркас, а кирпичные стены только самонесущими. В 1902 г. было построено одно из первых жилых зданий, в конструкции которого применялся стальной каркас - "Flatiron Building" в Чикаго (рис. 2), высота которого составила 87 м (сооружение укладывается в определение высотного здания в соответствии с современными московскими градостроительными нормами). Впоследствии произошел постепенный переход от высоких офисных блоков к башням, повлекший за собой значительное увеличение высотности сооружений. 381-метровое здание "Empire State Building" на протяжении более 40 лет оставалось высочайшим в мире [51].

Рис. 2. Здание "Flatiron Building" в Чикаго [118]

Высотное строительство в Европе начало развиваться со значительным отставанием от США - только в конце 1950-х - начале 1960-х гг. после того, как была произведена минимальная компенсация колоссальных утрат жилищного фонда, нанесенных Второй мировой войной. Вплоть до 1970-х гг. в Европе практиковалось одиночное строительство высотных зданий, таких как "Башня Веласка" в Милане, "Милбенк-тауэр" в Лондоне и др. К этому же времени относится первый опыт создания высотного делового центра в Милане в виде группы 20-30-этажных зданий. Впоследствии, в соответствии с концепцией интегрированного урбанизма, обеспечивающей максимальную занятость населения по месту жительства, сложился целостный европейский подход к высотной застройке в крупных городах. Принципиальные его особенности - сочетание административных или гостиничных зданий с жилыми домами средней этажности, отказ от высотного строительства в исторической зоне городов. Яркими примерами такого рода застройки являются районы Дефанс на западной окраине Парижа, реконструкция исторически промышленного Докленда в Лондоне [51].

Единственный пример однофункциональной высотной застройки в историческом районе европейского города - деловой центр во Франкфурте-на-Майне, исторически сложившемся общеевропейском финансовом центре, получившем значительные разрушения во время Второй мировой войны [51].

Начиная с 1970-х гг., в связи с развитием технологий сейсмоустойчивого проектирования, высотное строительство получило развитие в Японии, где это градостроительное направление особенно актуально в связи с критическим дефицитом свободного пространства. В 1990-х гг. в свете бурного экономического развития азиатских стран началось активное строительство небоскребов в ОАЭ, КНР, Сингапуре.

Историю становления высотного строительства на территории СССР и в РФ можно разделить на три этапа, связанных, в первую очередь, с особенностями государственной градостроительной политики в разные эпохи.

Первый этап связан с окончанием Второй мировой войны. Для быстрого восстановления разрушенных войной городов была разработана союзная концепция жилищного строительства, направленная на удешевление стройматериалов, унификацию и типизацию готовых элементов с одной стороны, и на разработку и освоение сложных и перспективных технологий с другой. И, если первое направление получило свое развитие при застройке типовых кварталов малой этажности, то второе дало толчок к развитию высотного строительства. В это же время была разработана идея развития монументального триумфального архитектурного стиля, также реализованная при строительстве первых высотных зданий.

В основу концепции строительства всех высотных зданий г. Москвы этого периода был положен так и не реализованный проект Дворца Советов. Идея постройки этого сооружения впервые была озвучена еще в 1922 г. на I съезде Советов, однако Всесоюзный открытый конкурс был проведен только в 1931 г. В течение двух последующих лет было рассмотрено более 180-ти проектов Дворца, и в 1933 г, один из них был принят в качестве рабочего. Проектирование сооружения было завершено лишь в 1939 г, тогда же началось его строительство.

Рис. 3. Проект Дворца Советов [117]

По проекту Дворец представлял собой грандиозное сооружение со скульптурой В.И. Ленина в шпилевой части, высота которого должна была составлять 420 м со статуей (рис. 3).

Строительство сооружение было прервано с началом войны. Из конструкций, приготовленных для монтажа здания, были изготовлены противотанковые ежи, а впоследствии стальные конструкции Дворца были демонтированы и использованы для сооружения железнодорожных мостов.

В 1947 г, в день 800-летнего юбилея столицы, в Москве состоялось заложение восьми высотных зданий, известных как "сталинские высотки", семь из которых было построено в период с 1949 по 1953 г. Это были уникальные на тот момент здания, при строительстве которых было использовано множество инновационных технологий. Эти сооружения одними из первых в СССР были возведены каркасным способом. При строительстве гостиницы на Комсомольской площади искусственное свайное основание впервые в истории было осуществлено вибронабивным способом. В процессе проходки котлована для здания на Дорогомиловской набережной, фундамент которого располагался на 10 м ниже уровня грунтовых вод, был применен новый на тот момент способ иглофильтрового водопонижения. При строительстве здания на площади у Красных ворот была осуществлена проходка глубокого котлована в плывунных грунтах с искусственным их замораживанием. Один из проектов, здание в Зарядье, не был реализован, несмотря на то, что было завершено строительство стилобатной части здания и каркаса сооружения на высоту, соответствующую десяти этажам. Впоследствии, на базе уже построенного стилобата была возведена гостиница "Россия".

Приход Н.С. Хрущева к власти после смерти И.В. Сталина знаменует собой начало второго этапа - упадка высотного строительства в СССР. В 1954 г на специальном Всесоюзном совещании строителей и архитекторов были поставлены новые градостроительные задачи: снижение стоимости строительства и резкое увеличение количественных показателей. Решение этих задач производилось путем индустриализации строительства и типизации проектирования. Строительство зданий повышенной высотности, разрабатываемых по индивидуальным проектам и требующее значительных вложений средств, в эту концепцию не укладывалось и на этом первый этап строительства высотных сооружений в г. Москве был завершен [44].

Таким образом, в этот период в г. Москве осуществлялась преимущественно малоэтажная типовая застройка и были реализованы лишь отдельные проекты, такие как Центральный дом туриста на Ленинском проекте и высотное административное здание "НИИ Дельта" на Щелковском шоссе, не превышающие по высоте 150 м.

С распадом СССР и началом активного роста и развития крупных мегаполисов начался третий, современный этап высотного строительства на территории РФ. В 1992 г. было начато строительство московского международного делового центра (ММДЦ) "Москва-Сити". Под застройку был выделен участок на Краснопресненской набережной площадью более 60 Га. Всего на территории ММДЦ планировалась постройка 13 высотных зданий и их комплексов высотностью от 130 до более чем 600 м. На сегодняшний день на территории делового центра полностью построены комплекс "Башня на набережной" (участок 10) и Северная башня (участок 19). В настоящий момент серьезные коррективы в строительные планы внес глобальный экономический кризис. Многие проекты были "заморожены", некоторые проекты были существенно изменены. Комплексная инженерно-геологическая характеристика территории ММДЦ "Москва-Сити" приведена в главе 4.

В 1999-м г Правительством Москвы была принята программа "Новое кольцо Москвы", в рамках которой до 2015 г. предполагалось осуществление застройки высотными зданиями и их комплексами 60-ти земельных участков в срединном и периферийном поясах г. Москвы [19], однако ее реализацию нельзя назвать успешной. В рамках указанной программы было построено три комплекса высотных зданий - "Эдельвейс" на Давыдовкой улице, "Вёл-Хаус на Ленинском" и бизнес-центр "Соколиная гора" на Семеновской площади. В настоящий момент еще три небоскреба находятся на завершающей стадии работ - жилой комплекс "Континенталь" на улице Маршала Жукова, жилой комплекс на Профсоюзной улице и бизнес-центр на Преображенской площади. Летом 2011 г столичные власти отказались от реализации программы в первоначальном виде, возможно, ее проект будет подвергнут пересмотру.

За рамками вышеуказанных программ, ведется также строительство высотных сооружений жилого предназначения. Крупнейшими среди построенных зданий и комплексов этой категории являются "Триумф-Палас" в Чапаевском переулке, квартал "Воробьевы Горы" на Мосфильмовской улице, жилой комплекс "Алые паруса" на Авиационной улице.

На рис. 4 приведена схема размещения высотных зданий и комплексов на территории г. Москвы, на которую вынесены существующие и строящиеся здания высотой более 100 м, а также сооружения, строительство которых приостановлено по различным причинам.

Среди прочих городов на территории России на современном этапе интенсивная застройка зданиями повышенной высотности производится в Екатеринбурге. На данный момент завершено строительство 48-этажной башни третьей очереди многофункционального комплекса "Антей", высота которой составляет 188 метров, являющейся высочайшим зданием на территории России за пределами г. Москвы. Ведется строительство местного делового центра "Екатеринбург-Сити", состоящего из четырех высотных зданий, готовится к строительству еще ряд высотных проектов.

В остальных крупных российских городах высотная застройка имеет точечный характер, а максимальная этажность строящихся или построенных зданий в основном не превышает 20-25 этажей. Имеется ряд проектов высотных зданий и комплексов, реализация которых остается под вопросом - это Краснодар, Иркутск, Красноярск, Новосибирск, Ставрополь, Челябинск.

Рис. 4. Схема размещения высотных зданий и комплексов на территории г. Москвы

Отдельного упоминания заслуживает проект небоскреба "Охта-центр" в Санкт-Петербурге, вызвавший масштабные общественные споры в связи с расположением участка проектируемого строительства в историческом районе города (рис. 5). Проектируемая высота здания составляет 403 м, в то время как высочайшее из уже построенных зданий имеет высоту 108 м. Долгое время вопрос реализации высотного проекта решался на общественных слушаниях, и в конечном итоге было принято решение о переносе участка строительства сооружения. В настоящее время осуществляется выбор нового места дислокации высотного проекта.

Рис. 5. Первоначальный проект сооружения "Охта-центр" [117]

Необходимо отметить, что, несмотря на то, что в последние годы в Санкт-Петербурге разрабатывались десятки высотных проектов, ни один из них так и не был реализован. Причина этого кроется не только и не столько в стремлении сохранить исторический облик города. Город Санкт-Петербург характеризуется очень сложными для строительства высотных и заглубленных сооружений условиями - близким к поверхности залеганием уровня грунтовых вод, широким распространением в приповерхностной части геологического разреза сильносжимаемых, заторфованных, текучих отложений и строительство даже 25-этажных зданий сопряжено с массой трудностей, связанных с необходимостью предотвращения возникновением чрезмерных и неравномерных осадок [81].

Из высотных проектов, строительство которых в г. Санкт-Петербурге все-таки было начато, высочайшими по проектной отметке являются 140-метровая башня "Leader Tower" на пл. Конституции и 116-метровый комплекс "Князь Александр Невский", строительная площадка которого расположена рядом со станцией метро Рыбацкое.

1.2 Инженерно-геологические изыскания для высотного строительства на территории России. Современное состояние вопроса. Анализ существующей нормативно-правовой базы

Проблематика проведения инженерно-геологических изысканий для высотного и заглубленного строительства последние годы регулярно поднимается в российских публикациях. В то же время, в период активной поддержки Правительством отрасли высотного строительства, в г. Москве велась активная нормотворческая деятельность, направленная на разработку документов, затрагивающих вопросы проектирования и строительства высотных зданий, в том числе, и вопросы проведения инженерно-геологических изысканий. Статус этих документов на сегодняшний день достаточно неопределенен. В соответствии с Федеральным законом "О техническом регулировании" от 27.12.2002 г. № 184-ФЗ, в настоящий момент осуществляется процесс перехода от использования нормативных документов в строительной области к применению технических регламентов. Градостроительный процесс регулируется техническим регламентом "О безопасности зданий и сооружений" (ФЗ №384 от 31.12.2009).

Система нормативных документов в строительстве, предшествующая появлению Федерального закона "О техническом регулировании" (184-ФЗ) от 27.12.2002, описанная в СНиП 10-01-94 и введенная в действие с 01.01.1995 включала в себя следующие виды документов:

1. федеральные нормативные документы:

* строительные нормы и правила (СниПы)

* государственные стандарты в области строительства (ГОСТ)

* своды правил по проектированию и строительству (СП)

* руководящие документы системы (РДС)

2. нормативные документы субъектов Российской федерации - территориальные строительные нормативы (ТСН)

3. производственно-отраслевые нормативные документы - стандарты предприятий строительного комплекса и стандарты общественных объединений - СТП и СТО

Строительные нормы и правила (СниПы) содержали организационно-методические и технические требования по инженерным изысканиям для строительства "общие для всей территории Российской Федерации или ряда её регионов с определенными климатическими, геологическими и другими природными условиями". В государственных стандартах устанавливались требования к документации, правила проведения испытаний и измерений. В сводах правил приводились рекомендуемые в качестве официально признанных и оправдавших себя на практике положения, относящиеся к организации, технологии и правилам производства работ по инженерным изысканиям, методы расчета и проектирования.

30.12.2009 был принят Федеральный закон "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений" № 384-ФЗ. В соответствии с частью 1 статьи 6 данного документа "Правительство Российской Федерации утверждает перечень национальных стандартов и сводов правил, в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований настоящего Федерального закона". Такой список был утвержден распоряжением Правительства РФ от 21.07.2010 г. №1047-р и включает в себя 91 документ, из которых к области инженерных изысканий напрямую относятся 2 (ГОСТ 25100-95 "Грунты. Классификация" и СНиП 11-02-96 "Инженерные изыскания для строительства"). Еще несколько документов из списка, относящиеся к категории СНиП, затрагивают косвенно связанные с процессом проведения изысканий вопросы проектирования фундаментных оснований разного типа или в различных условиях, инженерной защиты территории. СНиП 2.07.01-89* "Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений" затрагивает вопросы градостроительного проектирования.

Ни один документ, относящийся к категории сводов правил, в список включен не был, также как и большинство ГОСТов (в том числе все стандарты проведения полевых и лабораторных испытаний), которые были впоследствии включены в "Перечень документов в области стандартизации, в результате которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона от 30.12.2009 № 384-ФЗ", утвержденный Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии.

Таким образом, в результате проведенной реформы строительной отрасли в списках обязательного применения остались документы общего характера, как правило, регламентирующие наиболее тривиальные требования.

Федеральным законом от 18.12.2006 N 232-ФЗ введено понятие "Особо опасные, технически сложные и уникальные объекты", к которым в числе прочих относятся сооружения высотой более 100 м и с заглублением подземной части более 10 м. С 12.04.2011 введено в действие постановление Правительства РФ от 24.03.2011 N 207 "О минимально необходимых требованиях к выдаче саморегулируемыми организациями свидетельств о допуске к работам на особо опасных и технически сложных объектах капитального строительства, оказывающим влияние на безопасность указанных объектов", все требования которого сводятся к наличию в штате компании, выполняющей инженерные изыскания установленного количества сотрудников с определенным стажем работ в области инженерных изысканий. Таким образом, формально требования к самой процедуре проведения изысканий для строительства высотных зданий в актуальных нормативно-правовых документах на сегодняшний день не устанавливаются.

Несмотря на то, что на сегодняшний день СП и территориальные нормативы утратили свой действующий статус, рассматривать их как формальные документы преждевременно. Реформа строительной отрасли, связанная с переходом к системе технического регулирования была осуществлена в достаточно сжатые сроки и вызывает много вопросов. Очевидно, что требований документов, включенных в список обязательного применения явно недостаточно, и при выполнении работ, связанных с проведением инженерно-геологических изысканий для строительства сложных объектов в большинстве случаев будет осуществляться обращение к действовавшим ранее сводам правил и территориальным московским нормативным документам. Практика показывает, что эти же документы до сих пор используются при осуществлении государственной экспертизы инженерно-геологических изысканий.

К документам, регламентирующим область проведения инженерно-геологических изысканий для высотного строительства можно отнести в первую очередь "Инструкцию по инженерно-геологическим и геоэкологическим изысканиям в г. Москве" (далее - "Инструкция"), МГСН 2.07-01 "Основания, фундаменты и подземные сооружения", временный проект МГСН 4.19-05 "Многофункциональные высотные здания и комплексы".

"Инструкция" содержит в своем составе раздел 4.6 "Особенности инженерно-геологических изысканий для высотного строительства", непосредственно относящийся к теме исследования и разделы 4.2 "Особенности инженерно-геологических изысканий в условиях существующей городской застройки", 4.4 "Особенности изысканий для свайных фундаментов" и 4.5 "Особенности инженерно-геологических изысканий для подземных и заглубленных сооружений", имеющие к ней косвенное отношение. МГСН 4.19-05 - более общий документ, рассматривающий все аспекты процесса проектирования высотного здания. Раздел, касающийся требований к инженерно-геологическим изысканиям и проектированию оснований, фундаментов и подземных частей сооружений во многом перекликается с "Инструкцией", хотя и дополняет ее в некоторых аспектах. Рассмотрим и проанализируем основные требования этих нормативных документов.

В соответствии с п. 6.9 МГСН 4.19-05 все проектируемые высотные здания относятся к третьей геотехнической категории независимо от параметров сооружения и инженерно-геологических условий.

Пункт 4.6.1 "Инструкции" регламентирует выполнение инженерно-геологических изысканий для строительства высотных зданий на предпроектной стадии с целью проведения общей оценки геологических условий территории, осуществления предварительного выбора типа фундамента сооружения, выявления специфических грунтов и опасных геологических и инженерно-геологических процессов, при наличии которых строительство высотных зданий на данном участке допускается лишь после специального обоснования. Выбор типа фундамента высотного здания производится в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83*, СНиП 2.02.03-85, МГСН 2.07-01 и "Инструкции по проектированию и устройству свайных фундаментов зданий и сооружений в г. Москве". При предварительном выборе типа фундамента п. 7.3 МГСН 2.07-01 накладывает ограничение на использование плитного фундамента, размещенного в дисперсных грунтах. В зависимости от физических свойств грунтов среднее давление по подошве плиты не должно превышать 100-600 кПа.

Пункт 4.6.3 "Инструкции" жестко регламентирует при проведении инженерно-геологических изысканий для строительства высотных объектов осуществлять бурение инженерно-геологических скважин с шагом, не превышающим 20 м, независимо от сложности грунтовых условий. На практике, при проведении работ в пределах территорий с существующей застройкой, данное требование практически невыполнимо в связи с наличием существующих построек, подземных коммуникаций, тоннелей, в особенности линий метрополитена и прочими административными ограничениями.

Глубина бурения зависит от предполагаемого типа фундамента. При использовании комбинированных плитно-свайных фундаментов, глубина выработок должна превышать глубину заглубления свай не менее чем на ширину плиты, но на величину, не меньшую на 15 м (Инструкция, п. 4.4.13). Для плитных фундаментов при нагрузках на плиту 400-600 кПа показатель заглубления скважин зависит от отметки заложения фундамента и изменяется в зависимости от ширины плиты и ее формы в пределах 0,9B-1,8B, где B - ширина фундаментной плиты ("Инструкция", п. 4.6.4). При строительстве заглубленных сооружений с применением ограждающих конструкций изучение инженерно-геологических условий площадки производится на глубину не менее 1,5 H_с + 5 м, где H_с - глубина заложения подошвы ограждающей конструкции. На указанную глубину должно быть пробурено не менее 30 % (Инструкция, п. 4.5.3). Для оценки карстово-суффозионных процессов не менее двух скважин на площадке строительства должны вскрыть невыветрелые разности каменноугольных отложений (Инструкция, п 4.6.4). Это требование можно признать достаточно парадоксальным, учитывая, что на водораздельных территориях г. Москвы глубина залегания кровли каменноугольных отложений может превышать 150 м (см. главу 2).

Методы зондирования грунтов. П. 4.6.5 Инструкции регламентирует при проведении инженерно-геологических изысканий для строительства высотных зданий проведение не менее 10-ти испытаний грунтов методом статического или динамического зондирования для уточнения инженерно-геологического строения площадки между скважинами и оценки несущей способности свай. При этом предпочтительными методами являются статическое или комбинированное зондирование (пенетрационный каротаж, позволяющий наряду с сопротивлением грунта задавливанию определять его плотность и влажность). Глубина исследования массива грунтов этими методами в нормативных документах не регламентируется.

Тематике проведения натурных испытаний массива грунта пенетрационными методами в процессе проведения инженерно-геологических изысканий для строительства ответственных сооружений посвящено множество публикаций таких авторов как Р.С. Зиангиров, В.И. Каширский [32], С.В. Козловский [34]Г.Г. Болдырев [1]. Метод статического зондирования зарекомендовал себя как важную составляющую полевых исследований при проведении инженерно-геологических изысканий. Метод позволяет получить как деформационные, так и прочностные характеристики грунтов в массиве, а также выполнить детализированное расчленение геологического разреза. Кроме того, на основании результатов опытов выполняется определение несущей способности свай (приложение В 1 ГОСТ 20276-99 [7], ГОСТ 5686-94 [8]). Некоторые конструкции зондов позволяют одновременно с получением стандартных показателей (лобового сопротивления грунта задавливанию конуса q_s и трения по боковой поверхности f_s) получить значение порового давления, а некоторые позволяют совместить пенетрационное испытание с различными видами геофизического каротажа.

В отечественной практике в большинстве случаев испытания проводятся с использованием зондов российского производства - буровые установки, на которых базируются такие приборы по массе классифицируются как "средние". Большинство из этих приборов измеряет только сопротивление грунта задавливанию по боковой и лобовой поверхностям зонда и позволяет получить достоверные результаты при относительно небольшой (до 20 м) глубине зондирования. Однако при больших заглублениях существенно возрастает погрешность измерений. Кроме того, эти приборы имеют ограничение по применимости - максимальное значение регистрируемого сопротивления грунта под конусом зонда q_s, как правило, не превышает 35-38 МПа, а трение по боковой поверхности f_s составляет не более 350 кПа [34]. Так, например, в плотных песках проведение испытания с применением такого оборудования практически невозможно. При выполнении инженерно-геологических изысканий для строительства высотных объектов в областях распространения с поверхности дисперсных грунтов значительной мощности возникает потребность в проведении испытаний на существенно большую глубину. Зонды и задавливающие устройства конструкции фирм "Fugro", "Geomil", "Van den Berg", "Franki" и многих других на базе тяжелой гусенично-колесной техники позволяют проводить испытания на глубину, превышающую 30, 50 и даже 100 м [32]. В то же время, при проведении работ в пределах территорий с близким к поверхности залеганием скальных отложений, как, например, в пределах большей части территории ММДЦ "Москва-Сити", применение метода статического зондирования вряд ли обоснованно.

На большей части территории г. Москвы суммарная мощность дисперсных отложений превышает 50 м, а следовательно, при проведении инженерно-геологических изысканий под высотные объекты, применение стандартных установок на базе техники среднего веса оправдано только на участках, расположенных в пределах долинного комплекса - в этом случае результаты опыта используются скорее для расчетов ограждающих конструкций, а не несущей способности свай.

Геофизические исследования. В соответствии с пунктом 6.10 МГСН 4.19-05, в программе изысканий должно быть предусмотрено выполнение геофизических исследований для определения глубины залегания известняков, их трещиноватости, закарстованности, наличия и глубины прослоев слабых грунтов и глинистых водоупоров на всех стадиях изысканий. Геофизическим исследованиям посвящен раздел 4.7 Инструкции, в котором перечислены основные их методы и задачи. Применение таких методов в пределах городской территории, характеризующейся крайне высоким фоном геофизических полей весьма ограниченно. Для целей высотного строительства наиболее применимы сейсмические методы, направленные в первую очередь на оценку степени сохранности каменноугольных отложений, основанные на измерении скорости прохождения продольных, поперечных и поверхностных сейсмических волн через массив горных пород. В зависимости от глубины заложения фундамента проектируемого сооружения и залегания потенциально выветрелых или закарстованных полускальных пород, могут применяться поверхностные или скважинные сейсмические исследования. Проведение поверхностных сейсмических исследований менее экономически затратно, однако их применение направлено в первую очередь на выявление разрушенных зон в приповерхностных толщах карбонатных пород. Кроме того, существенную погрешность в результаты исследований может вносить наличие с поверхности мощной толщи техногенных отложений, характеризующихся высокой степенью неоднородности.

Пункт 4.6.8 Инструкции регламентирует при проведении инженерно-геологических изысканий для строительства высотных зданий предусматривать в программе работ полевые испытания штампом в количестве не менее трех или прессиометром в количестве не менее шести на каждый выделенный инженерно-геологический элемент. В соответствии с п. 4 приложения "В" Инструкции значения модуля деформации E, полученного по результатам прессиометрических испытаний, должны быть скорректированы по результатам испытаний того же грунта штампами. Актуальное состояние вопроса исследования грунтов этими методами рассматриваются в работах Г.Г. Болдырева [1], В.И. Каширского [23]и других исследований. Пункты 4.6.4 и 6.4 МГСН 4.19-05 Инструкции регламентируют проведение дополнительных инженерно-геологических изысканий со дна котлована. В соответствии с п. 6.5 МГСН 4.19-05, при применении свайных и комбинированных свайно-плитных фундаментов следует выполнять испытания свай статическими нагрузками в объеме не менее трех свай на объект.

Испытания статическими нагрузками проводятся с целью определения деформационных свойств дисперсных и крупнообломочных грунтов. Этот вид натурных опытов считается наиболее достоверным, однако и здесь есть ряд допущений и ограничений. В подавляющем большинстве случаев для проведения испытаний применяется винтовой штамп площадью 600 см ². Реже используются круглые штампы площадью 5000 см ² и еще реже - площадью 10000 см ² [1].

Испытания плоским штампов выполняются со дна котлована или в дудках и шурфах на глубине не более 5 м. Испытания винтовым штампом проводятся в скважинах и теоретически позволяют получить результаты на глубинах до 30 м. Однако при заглублении свыше 6-10 м необходимо осуществлять учет изгиба штанг при измерении осадки, что может быть осуществлено путем установки на них датчиков-прогибомеров [1], но на практике осуществляется редко.

При проведении штамповых исследований рекомендуется выполнять испытание в 2 петли - с доведением нагрузки до значения бытового давления, последующей разгрузкой и доведением до расчетного давления на основание сооружения [23].

Особенности исследований для строительства высотных сооружений предполагают с одной стороны большое заглубление котлованов (а штамповые исследования целесообразно выполнять непосредственно на глубине залегания фундаментной плиты) и с другой - высокие нагрузки на основание. Эти факторы существенно ограничивают применение штамповых испытаний.

Следовательно, испытания статическими нагрузками штампами при проектировании высотных сооружений целесообразно выполнять, прежде всего, для уточнения и проверки полученных результатов на стадии строительства зданий со дна строительных котлованов. При этом наиболее приближенные к реальности значения получаются при использовании плоских штампов больших размеров - площадью 5000 см ² и более.

К достоинствам метода прессиометрического определения деформационных свойств грунтов в скважинах относятся возможность оценки их изменчивости в массиве по глубине, проведение исследований на больших глубинах (50 м и более), небольшая продолжительность опытов. Основной и очень существенный недостаток - необходимость определения коэффициента анизотропии, обусловлен тем что нагружение и измерение сопротивления грунта сжатию осуществляется в горизонтальном направлении и для некоторых видов грунтов, например, для каменноугольных карбонатных глин с прослоями карбонатных пород, разница по сравнению со способностью воспринимать вертикальную нагрузку может быть весьма существенна. В то же время, глинистые породы юрского возраста характеризуются достаточно высокой степенью однородности свойств в различных направлениях. Достоверного механизма расчета коэффициента анизотропии на сегодняшний день не существует, специалистами в этой области используются некие эмпирические значения, но в нормативно-методической документации они отсутствуют. В СП 50-101-2004 [74] содержится требование для сооружений I уровня ответственности производить уточнение данных прессиометрических опытов на основе их сопоставления с результатами параллельно проводимых испытаний того же грунта штампами, что, при проведении испытаний на большой глубине, на практике невозможно, по крайней мере, вплоть до этапа проходки котлована.

Однако для получения оценочных значений метод прессиометрии может быть незаменим. Современные прессиометры позволяют производить испытания как в толщах дисперсных глинистых грунтов, так и в скальных породах. В случае наличия в разрезе карбонатных отложений выветрелых, трещиноватых и закарстованных зон, из которых затруднен отбор проб грунтов ненарушенной структуры, прессиометрические испытания могут стать основным источником сведений о деформационных характеристиках пород.

Опытные геотехнические работы. В соответствии с п. 4.6.11 Инструкции, при необходимости на площадке строительства высотного здания должны выполняться опытные геотехнические работы, состав и объем которых должен определяться специальной программой, разрабатываемой в процессе проектирования по результатам инженерно-геологических изысканий в зависимости от принятого типа фундамента. Эти работы включают в себя измерение напряжений и деформаций в массивах грунтов и опытные полевые работы по водопонижению, закреплению и заморозке грунтов, устройству буровых свай и другие виды опытных работ (п. 4.5.14 Инструкции).

Лабораторные работы. Лабораторные исследования должны моделировать работу грунта в основании здания в условиях изменяющегося напряженно-деформируемого состояния (НДС). В частности, испытания грунта в компрессионных приборах и приборах трехосного сжатия необходимо проводить с учетом НДС грунтового массива в диапазоне действующих в основании здания напряжений и предусматривать реконсолидацию образца грунта и учет истории нагружения объема грунта в натуре.

До сих пор наиболее распространенным лабораторным методом определения деформационных характеристик дисперсных грунтов являются компрессионные испытания. Это объясняется легкостью проведения таких опытов и небольшой их стоимостью, однако метод имеет множество серьезных ограничений. При проектировании сооружений применяется не компрессионный модуль деформации E_k, полученный непосредственно в процессе проведения испытания, а общий, имеющий значение в несколько раз выше. Для перехода от одного коэффициента к другому обычно используются корреляционные коэффициенты m_k, приведенные в таблице 3.1 СП 50-101-2004 [74]. В этом же документе говорится о том, что использование данного коэффициента возможно только для сооружений III уровня ответственности, в то время как для зданий I и II уровня, должна быть установлена корреляционная зависимость по результатам параллельно выполненных штамповых испытаний. Это условие выполняется крайне редко, а при отборе проб с глубины более 30 м соблюдение его практически невозможно, также как и в случае с сопоставлением результатов штамповых испытаний и прессиометрических опытов. Между тем, как показывают сравнительные исследования [23, 56], значения E, полученные по результатам испытаний статическими нагрузками и путем применения табличных коэффициентов к компрессионным модулям расходятся весьма существенно, причем при больших нагрузках это различие возрастает.

Существенно большую сходимость с результатами штамповых опытов показывают деформационные характеристики, полученные при проведении испытаний грунтов на прочность методом трехосного сжатия [56]. Эти испытания зарекомендовали себя как основной метод получения деформационных и прочностных характеристик отложений, залегающих ниже фундаментной плиты. Метод наиболее широко применяется для испытания глинистых грунтов, однако с его использованием возможно получение свойств песчаных отложений и полускальных пород.

Оценка возможности образования оползней. В случае размещения проектируемого высотного сооружения на склоне или вблизи его бровки, п. 4.6.9 Инструкции регламентирует бурение скважин как на самом склоне, так и в на прилегающих территориях с заглублением части из них ниже зоны возможного активного развития оползня в несмещаемые породы не менее чем на 3-5 м и проведение специальных исследований, направленных на изучение факторов, имеющих определяющее значение в оползневом процессе. Оползни относятся к опасным геологическим процессам и, как говорилось выше, в случае выявления вероятности их образования, строительство высотного здания на данной площадке возможно только при наличии специального обоснования.