Современные проблемы проектирования монументальных зданий и сохранения древних памятников архитектуры и истории

Скальный В.С., Кузнецов И.Н., Косыгин Е.В.

Долговечность монументальных и древних зданий, как известно, зависит в первую очередь от деформативных свойств грунтовых оснований фундаментов этих сооружений.

Действующие строительные нормы и правила и другие нормативные документы, которые используются для возведения монументальных зданий и восстановительных работ на древних памятниках архитектуры и истории, к сожалению, не учитывают выявленные учеными закономерности изменения физико-механических свойств грунтовых оснований в связи с постоянно изменяющимися гидрологическими условиями территорий расположения этих сооружений и структурных преобразований грунтовых массивов в связи с продолжительной (более 100 лет) эксплуатацией памятников.

Новое научное направление - инженерная археология, позволило глубже исследовать физическое состояние древних памятников и среды их обитания, выявить закономерности их изменения при длительной эксплуатации сооружений. Полученные данные позволяют внести соответствующие коррективы не только в методологию реставрационного строительства, но и в расчетную базу проектирования новых зданий и сооружений и особенно монументальных.

В настоящей работе приводятся результаты исследования нескольких закономерностей эволюционных изменений грунтовой среды обитания старых и древних зданий под воздействием эндогенных и антропогенных факторов, в том числе: формирование кольматационных водоупоров; формирование осадочных воронок и периметрического развала древних каменных зданий; предложения по необходимости выделения расчета деформаций грунта оснований наружных фундаментов сооружений по прогнозным показателям изменения природной влажности в эксплуатационном периоде.

Результаты инженерно-археологических исследований показали, что гидрологические условия незастроенной территории при всех равных условиях меняются по эндогенным (природным) факторам. Так напластования алювиальных отложений и почвенного слоя формирует определенную пористость каждого геологического элемента в сложном взаимодействии природных факторов (температуры грунта и наружного воздуха, количества и интенсивности атмосферных осадков, направления и интенсивности воздушных потоков, переносящих мелкие минеральные и биологические остатки, динамики сезонных изменений всех перечисленных и других факторов).

Наиболее существенным фактором изменения пористости сформировавшихся геологических слоев являются миграционные потоки подземных вод, и в первую очередь, инфильтрационных от атмосферных осадков и талых вод, а также криогенные процессы, связанные с систематическим нарушением структуры грунта и его температурно-влажностным состоянием.

Многочисленные инженерно-археологические исследования стратиграфии грунтовых толщ выявили в них наличие горизонтов грунтовых прослоек повышенной плотности, то есть с меньшей пористостью и коэффициентом фильтрации, чем выше- и нижерасположенного грунта одного геологического слоя. Лабораторные исследования показывают, что гранулометрический состав этих прослоек при однородности основного объема минералогического состава частиц геологического слоя существенно отличается наличием пылеватых и коллоидных частиц, заполняющих поровое пространство основного скелета геологического слоя. Это объясняется тем, что при значительном увеличении инфильтрационного потока атмосферных осадков и талых вод они переносят с собой пылеватые и коллоидные частицы с поверхности земли или суффозионным их вымывом из поверхностных слоев в более глубокие слои, где и происходит частичная кольматация пор на определенной глубине. Таким образом, сформированные горизонтальные прослойки грунта с меньшей пористостью становятся относительными водоупорами для инфильтрационных потоков подземных вод, значительная часть которой изменяет вертикальное направление миграции на боковое растекание по кровлям кольматационных водоупоров.

В свою очередь появление боковой миграции в инфильтрационном потоке атмосферных осадков и талых вод способствует формированию кольматационных горизонтов относительных водоупоров на разных глубинах грунтовых массивов.

Закономерностью, как показывают инженерно-археологические исследования, является то, что кольматационные слои относительных водоупоров на незастроенных территориях имеют направление уклонов своих кровель, совпадающих с направлением уклонов поверхности земли рельефа местности.

Таким образом, образование кольматационных слоев относительных водоупоров в грунтовых массивах еще не застроенных территорий уже формируют миграционные потоки подземных вод верховодки, которые, к сожалению, в современной нормативно-технической документации не учитываются. В то же время древние строители при возведении больших каменных строений (как правило, культовых сооружений) при формировании планировочных территорий их благоустройства создавали искусственный куполообразный кольматационный слой водоупора (проливкой глиняными растворами) вокруг здания для уменьшения инфильтрации атмосферных осадков и талых вод в прилегающий объем грунта - среды обитания подземной части здания.

Следовательно, при проведении противоаварийных инженерных работ реставрации недвижимых памятников архитектуры и истории необходимо выявить наличие и пространственные характеристики кольматационных слоев относительных водоупоров с тем, чтобы определить максимальный объем и направление миграционных потоков верховодки в грунтовой среде памятников.

Инженерно-археологические изыскания позволили выявить ряд закономерностей деформаций фундаментов старых строений, изменения структуры их грунтовых оснований, формирование миграционных потоков подземных вод верховодки в грунтовой среде подземных частей древних зданий.

Как известно, для строительства каменных зданий и особенно культовых сооружений древние строители выбирали возвышенные места с хорошими условиями грунтовых оснований. Выбор площадок для строительства зданий и сооружений с устойчивой структурой грунтовых оснований оставался главным принципом и до последнего времени (середины XX-го века). В соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83 «Основания и фундаменты» максимальная нормативная осадка фундаментов многоэтажных бескаркасных зданий не должна превышать 15 см, а для элеваторных сооружений и дымовых труб на плитном и массивном фундаментах не более 40 см. Однако древние здания, имеющие, как правило, ленточные фундаменты, простоявшие более четырех веков в зависимости от гидрогеологических условий площади застройки имеют осадку от 68 см (например, для Георгиевского собора в г. Юрьев - Польском, возведенном на относительно хорошем грунтовом основании в условии спокойного рельефа) и свыше 1 метра (например, для собора Рождества Богородицы в Рождественском монастыре г. Владимира).

Сравнительные расчеты показывают, что давление по подошве ленточных фундаментов древних зданий примерно одинаковы с расчетным давлением по подошве ленточных фундаментов современных зданий и составляет в пределах 2,5...3 кгс/см кв. Поэтому существенное различие в величине осадки фундаментов древних зданий от нормативных и расчетных эксплуатационных осадок современных зданий свидетельствует о иных закономерностях развития осадок грунтовых оснований древних зданий при многовековой их эксплуатации, чем тех, что учитываются в современной нормативной литературе. При этом следует иметь в виду, что осадки древних зданий, как показывают инженерно-археологические исследования, связаны с понижением поверхности прилегающей к зданию территории и планировочных подсыпок грунта вокруг него, а не эволюционное наращивание культурного слоя у стен здания, как считают некоторые ученые.

По данным наших инженерно-археологических исследований в деформацию осадки вовлекается не только грунт основания в зоне действия сжимающих напряжений от давления передаваемого фундаментами древних зданий за продолжительный срок их эксплуатации. Деформациям осадки подвергается и окружающий объем грунтовой среды обитания памятника. Возводимые здания и сооружения, испытывая осадки, деформируют грунтовую толщу и горизонты кольматационных водоупоров, изгибая их осадочными воронками, в центре которых находятся сами сооружения, что создает условия для миграции инфильтрационных вод верховодки к фундаментам здания и грунтовым основаниям, замачивая их сверху [1, 2]. Диаметр осадочной воронки тем больше, чем больше передаваемое давление на площадь опоры здания и срок его существования. Для древнего здания, простоявшего более четырех столетий, диаметр осадочной воронки у поверхности земли, без учета ширины самого здания, составляет до трех величин расчетной толщины линейнодеформируемого слоя основания фундаментов исследуемого памятника. Подтверждением наших выводов могут служить данные исследований многих авторов, которые показывают, что за период строительства и последующий период эксплуатации зданий влажность грунта на пятне застройки существенно увеличивается. Это увеличение более определенно проявляется для связных грунтов. Так, по данным А.Г. Ротмана (1970), П.А. Конавалова (1980, 1989), в среднем для пылевато-глинистых грунтов зафиксировано увеличение влажности на 13%. Из анализа многочисленных наблюдений был сделан вывод, что изменение влажности не зависит от давления и наиболее интенсивно происходит в первый период эксплуатации здания (20...30 лет). Отмечается, что такое увеличение влажности для глинистых грунтов не влияет на устойчивость здания. Однако с этим выводом согласны не все исследователи. В.М. Улицкий, дополняя данные упомянутых ученых данными собственных исследований, приводит таблицу изменения влажности в глинистых грунтах по ряду объектов Москвы и Санкт-Петербурга. Согласно его данным, естественная влажность грунтов оснований, зафиксированная перед началом строительства под подошвой фундаментов, увеличивается в пределах: за 5...20 лет эксплуатации на 13,9...66,5%; за 20...50 лет - на 8,5...81%; более 50 лет - на 26...60%. Как видно из приведенных данных, увеличение влажности, в основном, достигает значительных величин. В ряде случаев твердые глинистые грунты переходят в пластическое состояние. И мы поддерживаем несогласие В.М. Улицкого с утверждением, что увеличение влажности не влияет на уменьшение несущей способности грунтов основания. В качестве примера он приводит аварийно-деформированное здание №152 по проспекту Стачек в Санкт-Петербурге, где с увеличением влажности суглинки грунтового основания фактически перешли в текучепластичное состояние. По данным изыскания площадки застройки до строительства этого здания и позднее (при обследовании грунтов прилегающей к нему территории) суглинки классифицировались как тугопластичные [3]. Таким образом, отличия в изменении физического состояния зданий древней застройки от более поздних и современных, заключающиеся в разной величине общей осадки их фундаментов за эксплуатационный период, а также в большей подверженности замачиванию грунтов основания фундаментов грунтовыми водами, являются закономерностями, которые оказывают существенное влияние на фактическую величину перемещений фундаментов. При изменении гидрологических условий происходят неравномерные осадки фундаментов, вследствие чего изменяются жесткостные характеристики здания в целом [4].

Комплексные исследования гидрогеологической среды памятников архитектуры и истории показывают, что влияние подтопления на подземные части древних зданий значительно больше, чем на более поздние строения. Это обусловлено существенной разницей относительной площадки сбора инфильтрационных вод и их миграции к зданию по кольматационным водоупорам в грунтовом массиве подземного пространства. Низкая конструктивная прочность древних фундаментов является следствием большей величины и неравномерности их дополнительных осадок при ухудшении гидрологических условий застроенной территории. Например, при инженерно-археологических изысканиях грунтовой среды основания фундаментов восстанавливаемой церкви во имя Святой Живоначальной Троицы в с. Льгов (1765 г.) на территории Национального парка «Орловское полесье» были выявлены существенные различия физико-механических свойств несущего слоя грунта основания в зоне деформируемой толщи (ДТ) и за ее пределами - в природной толще (ПТ). Так, за более чем 180 лет в массиве ДТ против ПТ пористость уменьшилась с 41% до 40%, влажность на границе текучести увеличилась (соответственно, с 0,27 до 0,28), а модуль деформации уменьшился (с 8,3 МПа до 6,6 МПа) и т.д.

Приведенные данные свидетельствуют, что в схемах прочностных расчетов по двум группам предельных состояний (первой - по несущей способности и второй - по деформациям), согласно СНиП 2.02.01-83, необходимо ввести понятие расчетного показателя текучести, где на эксплуатационный период природная влажность (установленная инженерными изысканиями в период проектирования) для грунтов оснований наружных фундаментов зданий принимается с коэффициентом 1,6...1,8, в зависимости от эксплуатационного срока службы сооружения (до 100 лет - 1,6; от 100 до 300 лет - 1,7; свыше 300 лет - 1,8).

Еще раз следует отметить, что в современных расчетных схемах речь идет о прогнозе изменения уровня сформировавшихся подземных вод и подтопления сжимаемой толщи основания в направлении снизу вверх. Однако при подтоплении фундаментов верховодкой происходит замачивание грунта сжимаемой толщи основания в направлении сверху вниз, что вызывает более скорую по времени, величине и неравномерности осадку фундаментов. Причем подтапливается и замачивается верховодкой, в первую очередь, грунт основания фундаментов наружных стен, и, следовательно, именно эти фундаменты получают большую дополнительную осадку по сравнению с фундаментами несущих конструкций внутри здания. Таким образом, возникающая неравномерность дополнительной осадки от подтопления верховодкой вызывает деформацию крена наружных стан (так называемый «периметрический развал здания»). Следовательно, действующие нормы и правила по расчету геологически однородных оснований, предусматривающие равновеликое давление в плоскости подошв фундаментов наружных и внутренних конструкций зданий и сооружений, заведомо обуславливают неравномерность их осадки, так как влажность грунта оснований фундаментов наружных стен и массива грунта, прилегающего к ним, в подавляющем большинстве случаев выше, чем под внутренним объемом здания. Это еще одна закономерность, выявленная инженерно-археологическими исследованиями на подавляющем большинстве древних памятников архитектуры и истории и, в первую очередь, для культовых зданий.

Защитные мероприятия против воздействия инфильтрационных вод верховодки на подземную часть здания практически сводятся к устройству обмазочной гидроизоляции фундаментов, глиняных замков в пазухах обратной засыпки и инженерно-мелиоративным мероприятиям планировки прилегающей к зданию территории. Однако эти мероприятия только в начале эксплуатационного периода для вновь возводимых зданий являются сдерживающим фактором от подтопления верховодкой. Для зданий древней и старой застройки влияние подтопления фундаментов верховодкой на процессы развития дополнительной деформации грунтов основания является доминирующим. Не учет роли верховодки при разработке защитных мероприятий в современной практике реставрации памятников архитектуры и истории приводит к недолговечности ремонтно-восстановительных работ и крайне низкой эффективности затраченных на них средств. Следует подчеркнуть, что объем и интенсивность инфильтрационного потока верховодки с каждым годом закономерно возрастают с увеличением скорости круговорота воды в системе атмосфера - грунтовая толща Земли.

ЛИТЕРАТУРА

1. Скальный B.C., Косыгин Е.В. Проблемы сохранения памятников Древней Руси в изменяющихся гидрологических условиях их грунтовой среды оснований. - Материалы 1-го Международного научно-практического симпозиума «Природные условия строительства и сохранения храмов Православной Руси», Сергиев Посад, Троице-Сергиевская Лавра, 2000.
2. Скальный B.C., Косыгин Е.В., Косткин В.А. Новый инженерно-археологический метод исследования гидрогеологической среды обитания недвижимых памятников архитектуры и истории. - Материалы международного НПС ЮНЕСКО «Практическое применение последних достижений науки и техники в определении физического состояния памятников национального и всемирного культурного наследия», Москва, 2001.
3. Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. - Москва: Издательство АСВ, 1999.
4. Скальный B.C. Изменение гидрогеологической среды архитектурных памятников. - Ж «Реконструкция городов и геотехническое строительство», 1999.

При использовании материалов сайта ссылка на источник обязательна.

© НПФ «Тектоника», 1991-2020.