Инженерная археология и исследование причин деформационных процессов недвижимых памятников архитектуры и истории

Косыгин Е.В.

Скальный В.С.

Недвижимые памятники архитектуры и истории, как правило, переживают многочисленные ремонты, а подчас и восстановление после разрушений, причины которых в большинстве случаев связаны с деформацией грунтовой среды. В то же время грунтовая среда представляет собой зону археологического культурного слоя и массив грунтового основания природной структуры. Во всех случаях именно археологическая зона грунтовой среды памятников архитектуры является зоной инженерной деятельности, а современные методы строительного производства не предусматривают выявление и сохранение памятников культуры при проведении работ, что и служит причиной полной их утраты или значительных повреждений. Эти утраты имеют место не только в период проведения строительных работ, но и во время инженерных изысканий, то есть по всему технологическому комплексу строительного производства.

В свою очередь методики ведения археологических работ по выявлению памятников культуры не предусматривают всестороннего анализа грунтовой среды по ряду важных научно-технических направлений, в том числе: физико-механического, биохимического, микробиологического состава, исследований архитектурной и инженерной истории и других. Кроме того, особенностью древних зданий и их гидрогеологической среды является то, что они несут в себе информацию всех процессов эксплуатационного периода, позволяющую проводить анализ этих процессов по временному фактору и делать выводы не только по выбору способа сохранения архитектурных памятников, но также и оценке современных методов проектирования и технологий строительного производства.

В связи с этим, начиная с 1993 года, на территории Владимирской области предложена и осуществляется новая методика выполнения инженерных изысканий в грунтовой среде с выполнением комплексных исследований, направленных, с одной стороны, на сбор информации о причинах деформационных процессов исторических зданий, а с другой – на выявление погребенных памятников культуры, изучение архитектурной и инженерной истории. Новому научному направления дано название «инженерная археология» [1].

В отличие от общепринятых методов инженерных изысканий и производства строительных работ предложенная методика предусматривает производство всех видов грунтовых работ (изыскательских и строительных) в археологической зоне культурного слоя грунта по полной археологической методике при одновременном участии специалистов различных научных направлений. Таким образом при проведении строительно-реставрационных работ одновременно выполняются археологические, инженерно-строительные, гидрогеологические, климатологические, биохимические, микробиологические, историко-архитектурные, искусствоведческие и другие исследования. То есть в архитектурной зоне культурного слоя грунтовой среды выполняются комплексные исследования. А изучение материковых, грунтов выполняется по инженерно-строительной методике. Внедрение нового метода изысканий на многих объектах позволило извлечь и сохранить большое количество памятников культуры для дальнейшего их изучения, собрать новые материалы по истории самих архитектурных памятников и истории развития строительного искусства, всесторонне рассмотреть каждый памятник как историческое произведение зодчества нескольких эпох и одновременно решать инженерные проблемы по его спасению и сохранению на научной основе. Приведем несколько примеров научно-технических работ в этом направлении.

Комплексные исследования инженерно-археологических изысканий позволили установить, что деформационные процессы собора Рождества Богородицы Суздальского Кремля (включен в список Всемирного наследия ЮНЕСКО) связаны не только с изменением гидрологических условий, но и с включением в несущий слой фундаментов предыдущих построек храма, что создает неоднородность основания для существующего здания. Попытки усиления фундаментов боковым их уширением без обеспечения конструктивной передачи на него нагрузки верхнего строения не обеспечивают перераспределения давления по подошве уширенного фундамента. Частичное опирание фундаментов позднего строения на старые фундаменты, выявленные практически по всему периметру первоначального здания собора Мономаха, по размерам в плане превышающего план современного здания (рис. 1), создает дополнительные деформации излома как фундаментов, так и конструкций верхнего строения.

Выявление причин деформационных процессов на другом памятнике древнерусской архитектуры XII века (внесенном в список Всемирного наследия ЮНЕСКО) - церкви Бориса и Глеба в с. Кидекша Суздальского района Владимирской области - также потребовало проведения инженерно-археологических изысканий, так как выполненные наружные инженерные изыскания не давали полного представления о характере деформационных процессов грунтовой среды подземных конструкций фундаментов и состояния их материалов. Поэтому возникла необходимость провести дополнительные исследования внутри храма методами шурфовки.

Внутренняя грунтовая среда подземных конструкций здания собора представляет собой предмет археологических исследований, где раскопы проводят по технологиям, отличным от строительных, поэтому было принято решение о проведении инженерно-археологических изысканий, которые предусматривали раскопы шурфов по схеме инженерных исследований, а технология раскопа шурфов была принята археологической.

Таким образом, инженерно-археологические изыскания позволили получить максимальную инженерную и археологическую информацию о фундаментных конструкциях здания собора и их грунтовой среды.

Как известно, большинство каменных памятников архитектуры представляют собой здания храмов и монастырских ансамблей. Для этого вида объектов характерна компактность сооружений по площади, разновысотность отдельных частей и блоков зданий с большими сосредоточенными нагрузками, сложной системой ленточных и отдельно стоящих фундаментов и относительно мелкое их заложение, что приводит к формированию осадочных воронок в массиве грунтовой среды сооружений (рис. 2). Диаметры осадочных воронок для древних зданий, простоявших 4…6 столетий, у поверхности земли в три раза больше величины линейно деформируемой толщи основания фундаментов исследуемых зданий.

Отличия в изменении физического состояния зданий древней застройки от более поздних и современных заключаются: в разной величине общей осадки их фундаментов за эксплуатационный период; большей подверженности замачиванию грунтов основания фундаментов подземными водами верховодки, чем от подтопления повышением уровня сформировавшихся подземных вод (мигрирующих по кровле водонепроницаемого слоя грунта) при изменении гидрологических условий; в последствиях перераспределения напряжений от неравномерных осадок фундаментов в конструкциях и конструктивных блоках подземной части и верхнего строения и его влияния на прочностные характеристики здания в целом.

Наиболее ярким примером аварийного состояния древних зданий, сложившегося по составу трех факторов, является сблокированный комплекс собора Рождества Богородицы Рождественского девичьего монастыря в г. Солигаличе Костромской области.

Собор Рождества Богородицы Рождественского девичьего монастыря (монастырь упразднен в 1764 г.) в г. Солигаличе является памятником архитектуры федерального значения и одним из древнейших памятников не только Солигалича, но и Костромского края вообще. Собор начал возводиться в 1660-х годах. Однако в 1668 г. строительство было приостановлено, что было связано со смертью супруги Алексея Михайловича М.И.Милославской, на деньги которой в основном возводился собор. Другой немаловажной причиной была отправка солигаличских «записных» каменщиков по царскому указу 1668 года в Архангельск на строительство Гостиного двора.

До конца XVIII века собор простоял недостроенным, он был возведен лишь до сводов, пятиглавия не было. По свидетельствам современников на стенах здания выросли большие березы, а на сводах подклета – малинник. В своей верхней части собор достраивался в 1792 – 1974 гг. артелью каменщиков, приглашенных из Устюга Великого (по другой версии – из Тотьмы), чем объясняется необычная для древнерусского облика храма система венчания, характерная для храмового зодчества XVIII века Устюга и Тотьмы.

Собор представляет собой четырехстолпный пятиглавый трехабсидный храм на высоком сводчатом подклете. С севера к основному объему примыкает одноглавый придельный храм Рождества Христова с трапезной, с запада – закрытая галерея с крыльцом. У северо-западного угла поставлена колокольня. В подклете размещался теплый придельный храм Покрова Богородицы. В интерьере сохранилась стенопись (частично клеевая, частично в технике масляной живописи), иконостас с иконами XVIII – XIX вв.

Деформации основных конструктивных элементов здания собора имели место в раннем периоде его эксплуатации. В 1822-1824 годах собор ремонтировался: заделывались трещины в стенах, с восточной стороны здания были возведены контрфорсы. Однако деформационный процесс продолжался развиваться и активно прогрессировать в восьмидесятые годы нашего столетия. В 1989 г. были выполнены работы по реконструкции части фундаментов столбов собора. Но деформационный процесс остановить не удалось, состояние сблокированного здания собора стало аварийным.

Научно-производственная фирма «Тектоника» провела научно-техническое обследование собора по двум основным взаимосвязанным направлениям:

- определение состояния основных конструктивных элементов здания собора; анализ прочностных характеристик конструкционных материалов; проверка устойчивости систем «верхнее строение – фундаменты – основание» и «здание – основание – среда»; выявление основных причин развития деформационных процессов и динамики их развития;

- на базе полученных материалов первого направления исследований была проведена вариантная проработка специальных конструктивных и технологических решений по стабилизации деформационного процесса и усилению конструктивных элементов собора, разработка физико-химических способов и технологий консервации деформированных конструкций.

Обобщая имеющиеся исторические документы об условиях строительства, эксплуатации и ремонтно-восстановительных работах, выполненных по зданию Рождества Богородицы в г. Солигаличе, а также материалы обследований технического состояния самого здания, грунтовой среды и прилегающих территорий, были выделены следующие основные причины аварийного состояния архитектурного памятника:

- основанием для фундаментов здания собора служит сложное напластование первичных и вторичных осадочных пород с выклиниванием несвязных грунтов, расположенных на крутопадающей кровле плотных водонепроницаемых моренных суглинков под восточной и северной частью здания по диагонали между юго-восточным и северо-западным его углами, что создает условия для неравномерности осадок фундаментов даже при неравномерном распределении нагрузки по подошве фундаментов;

- принятая основная система перекрестных ленточных фундаментов из бутовой кладки и внутренних отдельно стоящих фундаментов для передачи нагрузки от разновысотных частей сблокированного здания не обеспечивала равномерное ее распределение в грунтовой толще и равномерное стабилизационное уплотнение основания в период строительства и эксплуатации сооружения;

- непродуманная застройка и планировка территорий, прилегающих к зданию архитектурного памятника, изменила гидрологические условия площадки, вызвавшие подтопление грунтовой толщи и изменение физико-механических свойств грунтовых напластований, а также отрицательное воздействие на подземные конструкции сооружения, приведшее к полной деструкции растворного камня фундаментов и осадке торфяного слоя грунта;

- замачивание торфяного слоя грунта, распространяющегося по всей территории застройки, привело к неравномерному опусканию дневной поверхности, формированию осадочной воронки и нарушению стока атмосферных осадок с территории застройки собора, увеличению инфильтрационного потока в грунт основания фундаментов в сформировавшейся зоне осадочной воронки, кольматации и заиливанию песчаного основания в структурно неустойчивом объеме грунтового основания, имеющего неблагоприятные геологические напластования;

- процессу резких перераспределений напряжений грунтовой толщи основания в условиях подтопления и их неравномерной деформации способствуют переменные динамические нагрузки, возникающие от движения тяжелого транспорта и техники автодорог, устроенных в непосредственной близости от здания собора в неблагоприятной зоне грунтовых оснований, подтопленных миграционными потоками подземных вод (с северной и восточной сторон);

- нарушение особых правил эксплуатации сблокированного здания, связанных с организованным отводом атмосферных осадков и несвоевременным проведением ремонтных работ, послужило условиями для повышенной эрозии конструкционных материалов и потери ими прочности в наиболее загруженных несущих конструкциях и частях здания собора, деформированных многочисленными трещинами жесткости сооружения;

- прокладка водонесущих коммуникаций и особенно канализационного коллектора вдоль апсидной стены увеличили динамику оползневого процесса грунтового массива основания и создали опасность возникновения быстроразвивающихся аварийных ситуаций при прорыве водонесущих коммуникаций;

- сложившаяся гидрологическая ситуация способствовала развитию больших деформаций осадки фундаментов наружных несущих стен по сравнению с осадкой внутренних фундаментов опорных столбов основного объема. Это обстоятельство способствовало появлению сквозных вертикальных трещин в стенах внутреннего объема на всю высоту здания с верхним их раскрытием до 250 мм. Нарастанию деформационных процессов способствовали работы по усилению фундаментов опорных столбов основного объема, выполненные по ошибочной (противоположной) оценке причин аварийности здания собора вместо необходимого усиления фундаментов наружных стен.

Таким образом, здание собора в г. Солигаличе, закрытое для пребывания в нем людей, требует в настоящее время проведения более сложных и трудоемких работ по усилению его конструктивных частей и общей устойчивости.

Капитальные здания древней и старой застройки, как правило, располагаются на возвышенных местах рельефа, чаще у рек и водоемов, к которым формируется природный сток поверхностных и инфильтрационных вод. Застройка возвышенных территорий формирует множество антропогенных факторов ухудшения гидрологических условий, а нарастание их глобальных изменений усугубляет ситуацию, способствуя развитию оползневых процессов на значительных территориях возвышенностей. Как показывают результаты многочисленных исследований оползневых процессов возвышенных территорий (особенно береговых), главную роль в них играет формирование и интенсивность миграционных потоков инфильтрационных вод по кольматационным водоупорам геомассива, а во вторую очередь - поверхностный сток атмосферных осадков и талых вод.

Традиционные инженерные сооружения, рассчитываемые на восприятие сдвигающих нагрузок, как правило, конструктивно сложны, трудоемки и дороги, а главное, их устройство часто невосполнимо нарушает сложившееся в геомассиве на момент строительства естественное равновесие сдвигающих и удерживающих сил.

Обоснование и разработка гибких гравитационных систем противооползневых инженерных сооружений позволили запроектировать, сообразно различным гидрогеологическим условиям грунтовой среды, и осуществить строительство этого вида сооружений, показавших высокую надежность и эффективность затраченных на строительство средств. Создание таких систем существенно увеличивает удерживающие силы с саморегулирующим (гибким) перераспределением опасных напряжений в массиве грунта и не нарушает критического равновесия сдвигающих и удерживающих сил. Примерами этого вида сооружений являются выполненные аварийные работы по объектам Васильевского и Спас-Евфимиевского монастырей в г. Суздале.

Архитектурный ансамбль Васильевского монастыря - памятника федерального значения - расположен на левом возвышенном берегу р. Каменка в восточной части г. Суздаля и относится к памятникам истории и культуры Древней Руси начала XII в. Высота берегового склона на южном участке каменной ограды с крепостными башнями составляет 15…18 м с максимальным уклоном откоса 75…80о к горизонту. Многолетний оползневой процесс образовал в береговом теле возвышенности чашу с понижением поверхности на 8…12 м и размерами в плане вдоль возвышенности до 180 м и от береговой черты до 80 м, в которой фильтрационные потоки подземных вод разжижали оползающие объемы грунтового склона, вынося дисперсную фракцию в р. Каменка [2].

Многоснежная зима 1994 года ухудшила гидрологическую ситуацию. Произошел очередной фронтальный оползень в сторону реки на участке склона длиной около 140 м и шириной до 6 м, что привело к подъему уровня подземных вод и структурному ослаблению грунтового массива непосредственно под территорией монастыря. Кромка обрыва береговой возвышенности приблизилась к стенам монастыря до 1,5 м, угрожая ее обрушению. На поверхности дворовой и прилегающей территорий образовались параллельные откосу протяженные трещины с максимальным раскрытием у поверхности 250…300 мм на глубину до 5…6 м.

Разработанные авторами и построенные конструктивно гибкие системы гравитационных инженерных сооружений обеспечили стабилизацию в равновесии сдвигающих и удерживающих сил с равномерным перераспределением напряжений в системе «грунтовый массив оползневого склона – укрепительные инженерные сооружения» (рис. 3).

Комплекс зданий и сооружений Спас-Евфимиевского монастыря в г. Суздале – уникальный памятник истории и культуры мирового значения (в списке ЮНЕСКО). Монастырь также расположен на высоком левом берегу р. Каменка, размерами, обилием сооружений и сохранившимися каменными постройками XIV…XVI вв. представляет собой классический архитектурный ансамбль монастырского типа. Его мощная с 12 башнями и протяженностью около 1000 м крепостная стена подчеркивает завершенность и органическую целостность всего монастырского комплекса. На фоне схожести гидрогеологических условий с площадкой Васильевского монастыря основной причиной оползня, происшедшего весной 1994 г. на береговом склоне возвышенности в непосредственной близости от юго-западного участка крепостной стены Спас-Евфимиевского монастыря, стало обводнение грунта талыми водами, проникавшими с территории монастырского двора через песчаную линзу запасника погребенных развалин изразцовой мастерской, примыкавшей к крепостной стене и обнаруженной инженерно-археологическими изысканиями. Фильтрация под крепостную стену поверхностных талых вод по кольматационным водоупорам с выходом на откос береговой возвышенности способствовала обводнению грунтового массива по длине более чем на 50 метров и его оползневому сходу, создав ситуацию обрушения крепостных сооружений на этом участке [3]. Построенная гибкая гравитационная система противооползневых инженерных сооружений на этом участке ликвидировала аварию (рис. 4).

Комплексные исследования гидрологической среды памятников архитектуры и истории подтверждают, что подтопление подземных частей древних зданий верховодкой значительно больше, чем у более поздних новых строений из-за существенной разницы относительной площади сбора инфильтрационных вод и их миграции к зданию по кольматационным водоупорам в грунтовом массиве подземного пространства. Низкая конструктивная прочность древних фундаментов является следствием большой величины и неравномерности их дополнительных осадок при ухудшении гидрологических условий застроенных территорий.

Повсеместное ухудшение гидрологических условий, как это показывают исследования, в своей основе носит не локальный или региональный, а глобальный характер [4]. Образование фазового состава подземных вод и накопление их в грунте происходит в определенных условиях под воздействием эндогенных и антропогенных режимообразующих факторов. При этом установлено, что природные условия в период роста технического прогресса быстро изменяются. Нарушение системы природных дрен и водоемов, возрастающий циркуляционный объем городского водопотребления способствуют накоплению и удержанию водой массы в грунтах, порождая все новые геомеханические и экологические проблемы.

Среди режимообразующих факторов формирования подземных вод можно выделить несколько основных групп: геологическую, антропогенную и группу вторичных явлений, возникающих под действием искусственно созданных факторов. Влияние каждого из факторов зависит от продолжительности его действия и динамики развития. Учет влияния искусственно созданных режимообразующих факторов с каждым годом приобретает все возрастающее значение.

Оценивая соотношение воды в парообразном, жидком и твердом состояниях и ее распределение на Земле, под землей и в атмосфере за последние десятилетия, можно сделать вывод, что наблюдается динамика роста объема воды в жидком состоянии и накопление ее в грунтовой толще. Основными причинами этого процесса на Земле можно считать следующие:

- уменьшение объема воды в твердом состоянии и переход ее в жидкое за счет потепления климата от развития процесса парникового эффекта, таяния вечномерзлых грунтов в результате интенсивного освоения северных и арктических территорий;

- уменьшение испарений за счет сокращения лесного и растительного покрова Земли, увеличения площади застройки городов, асфальтовых и других паронепроницаемых покрытий поверхности Земли, нарушения природной структуры грунта активного слоя литосферы, сокращения площади испарения зеркала водной поверхности и объема воды в водоемах, вызванного увеличением водохозяйственного и уменьшением ее поверхностного стока;

- накопление воды в грунтовой толще и увеличение общего уровня подземных вод за счет уменьшения дренажного стока, обусловленного уплотнением природных структур грунта при застройке городских территорий, формирования кольматационных водоупоров верховодки, создания подпора потоков подземных вод заглубленными сооружениями, заиливания рек, озер и других природных дренажных систем, возрастания утечек воды из инженерных коммуникаций, водохранилищ и водоемов оборотного водоснабжения, фильтрационных утечек из гидротехнических водоемов и сооружений и т.п.
Таким образом, динамика подъема уровня подземных вод имеет объективные причины, основными из которых являются антропогенные факторы, сопутствующие хозяйственному освоению территорий и научно-техническому прогрессу человечества.

Например, во многих городах территории Ростовской области уровень сформировавшихся подземных вод в различных районах за последние 50 лет существенно поднялся (на 4,5 – 6 метров) и располагается на глубине 1 – 1,5 метра от дневной поверхности, а в отдельных населенных пунктах достиг земной поверхности. В городе Юрьев-Польский Владимирской области уровень сформировавшихся подземных вод не только значительно повысился, но и в старой застройке изменил направление фильтрационного потока с юго-западного на юго-восточное. В городе Владимире подтапливаются и деформируются здания старой застройки, расположенные на возвышенной территории рельефа.

Неизбежность подъема уровня подземных вод ставит новые проблемы не только для нового строительства, но в большей степени для эксплуатации уже существующих зданий и сооружений. Обследование более четырехсот объектов, построенных в разные периоды на территории Хабаровского края (городах Хабаровске, Биробиджане, Комсомольске-на-Амуре, Амурске), Ростовской области (городах Ростове-на-Дону, Новочеркасске, Шахтах, Волгодонске, Таганроге), Владимирской области (городах Владимире, Суздале, Юрьев-Польском, Муроме, Гороховце, Судогде, Коврове, Покрове), Орловской области (городах Орле, Мценске, Ливнах) показало, что шестьдесят-семьдесят процентов из них деформированы в результате дополнительной неравномерной осадки фундаментов, вызванной повышением уровня подземных вод. Причем, в первую очередь деформациям все больше подвергаются капитальные здания древней и старой застройки.

Как известно, возрастание влажности, а тем более подтопление грунта в зоне сжимаемой толщи основания, непосредственно влияет на устойчивость существующих и строящихся зданий и сооружений, так как резко ухудшаются деформационные свойства грунтов. Поэтому возможность подтопления подземных частей зданий, а равно и деформации оснований, в целом рассчитываются с учетом прогноза изменения уровня сформировавшихся подземных вод в расчетный период эксплуатации. Причем, прогноз изменения режима подземных вод чаще всего сводится к анализу ограниченных статистических данных динамики изменения процесса формирования этих вод и имеет большие отклонения от действительности.

Следует отметить, что в современных расчетных схемах речь идет о прогнозе изменения уровня сформировавшихся подземных вод и подтоплении сжимаемой толщи основания снизу вверх. В то время как подтопление фундаментов верховодкой замачивает грунт сжимаемой толщи основания сверху вниз и вызывает более скорую по времени, по величине и неравномерности деформацию осадки 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 (рис. 1). Таким образом, возникающая неравномерность дополнительной осадки от подтопления верховодкой вызывает деформацию крена наружных стен (так называемый «периметрический развал здания»). Следовательно, действующие нормы и правила по расчету геологически однородных оснований, предусматривающих 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.

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 подтопление фундаментов верховодкой и ее влияние на процессы развития дополнительной деформации грунтов основания при ухудшении гидрологических условий являются доминирующими. 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 возрастает с увеличением скорости круговорота воды в системе «атмосфера - грунтовая толща Земли».

Высокую эффективность защиты подземных частей зданий от различного рода подтоплений показал способ локального бездренажного водопонижения, на который нами получен патент (№ 1067153). В основе этого способа положен принцип регулирования условий равновесия между давлением газовой среды в защитном слое грунта, окружающим сооружение, и гидростатическим давлением подземных вод прилегающего объема. При этом осуществляется аэрационное осушение грунта защитного слоя, в поровом пространстве которого поддерживается давление газовой среды несколько больше гидростатического давления подземных вод.

Интерпретационные системы нового способа были запроектированы и построены на ряде объектов для подземных частей промышленных предприятий, заглубленных ниже поверхности земли более 7 метров, в Ростове-на-Дону, Новочеркасске; для архитектурных памятников, заглубленных до 3,5 метров, во Владимире, Юрьев-Польском. Материалы по результатам работы этих и других защитных систем опубликованы в трудах научно-технических конференций, в том числе Международной конференции «Подземный город: геотехнология и архитектура» (Санкт-Петербург, 1998 г.), научно-технических отчетах и проектах.

Уникальные по своим масштабам и полученным результатам инженерно-археологические изыскания были проведены на территории Рождественского монастыря в г. Владимире при вскрытии остатков подземной части собора XII века, выполненные в связи с принятием решения о воссоздании его в первоначальном облике и необходимости сбора инженерной информации для целей проектирования [5; 6].

Богородице-Рождественский собор Владимирского Кремля, в последствии составивший архитектурный комплекс Рождественского монастыря города Владимира, был возведен по велению князя Всеволода Большое Гнездо в период с 1191 по 1196 гг. и в 1196 году был освящен. В начале XIII века в связи с проведением ремонтных работ собор освящался заново. В XV, XVI веках и несколько раз на протяжение XVII и начала XVIII столетий проводились неоднократные ремонты храма.

Храм был не только архитектурным памятником русского зодчества XII века, но и историческим зданием, так как в 1263 году в соборе был погребен Великий князь Александр Невский. Собор был усыпальницей для многих подвижников благочестия, церковных и государственных деятелей России. Поэтому было решено строить на этом историческом месте криптовый храм Великого Князя Александра Невского.

Как утверждают историки, причиной проводимых ремонтов собора были пожары. Однако логично предположить, что пожары были не единственной причиной необходимости укрепления конструкций храма. Строительная комиссия 1858 года отметила исключительно ветхое состояние собора, своды которого «зияли расселинами по 30...40 см, а опорные столбы имели трещины весьма солидного размера». По велению Императора Александра II собор был разобран. На его месте в 1869 году по проекту епархиального архитектора Н.А. Артлебена было построено новое здание, представляющее точную копию разобранного, но без окружающих его галерей.

Результаты инженерно-археологических изысканий, исследований найденных конструкций фундаментов XII века и более поздних построек показывают, что они испытали сложную систему деформаций, которые можно выявить по их фактическому положению на момент исследования в 1997 - 1999 годах. Для анализа основных деформационных процессов в первую очередь выбирались наиболее сохранившиеся конструктивные элементы здания собора и менее поврежденные при его физическом уничтожении в 30-х годах текущего столетия [6].

Инженерно-археологическими изысканиями были выявлены хорошо сохранившиеся конструктивные элементы подземной части собора, выполненные из белокаменных блоков: лента фундамента южной стены основного объема собора и ленты фундаментов южной и восточной стен южной галереи храма. Эти конструктивные элементы как нельзя лучше сохранили следы деформационных процессов за весь период своего существования.

На стратиграфическом разрезе южной стенки рва выборки фундаментов интерьерной стороны южной стены основного объема собора хорошо просматривается линия верхнего обреза фундаментов. На построенных стратиграфических разрезах экстерьерного фасада южной и восточной стен южной галереи также хорошо просматривается линия верхнего обреза фундаментов.

Исследование конструкций фундамента южной стены основного объема, воспринимающего полную нагрузку почти 740 лет, показали, что кроме неравномерной деформации осадки они испытали неравномерность деформации оползневого консольного прогиба в сторону близко расположенного склона территории монастыря.

Величина относительной неравномерности осадки оползневого консольного прогиба на всем протяжении стены изменяется от 0,022 до 0,099. При этом, если принять отметку верхнего обреза юго-западного угла здания основного объема за начальную точку отсчета консольного прогиба оползневой осадки ленты фундамента, его юго-восточный угол опустился за весь период существования более чем на 0,56 м (рис. 5). Среднее значение относительной осадки оползневого консольного прогиба по всей длине здания составляет 0,043 при наличии небольшого участка от юго-западного угла здания с равномерной осадкой фундамента.

Выделяя конструктивную линию верхнего обреза ленточного фундамента южной стены южной галереи (рис. 5) по маячным блокам верхней версты фундамента, выявлена закономерность его осадки, аналогичная параллельной линии ленточного фундамента южной стены основного объема собора. Как и для ленточного фундамента южной стены основного объема, линия верхнего обреза фундамента южной стены южной галереи зафиксировала осадку оползневого консольного прогиба в сторону крутопадающего откоса территории монастыря. Неравномерность осадки оползневого консольного прогиба на различных участках ленты этого фундамента находится в пределах 0,004...0,030, а среднее значение составляет 0,012. Средняя величина консольного прогиба оползневой осадки этой ленты фундамента составляет 0,22 м, то есть в два с половиной раза меньше по сравнению с лентой фундамента основного объема. При этом следует подчеркнуть, что лента фундамента южной стены южной галереи по сравнению с лентой фундамента южной стены основного объема испытывала меньшую нагрузку и по величине, и по времени действия (на 70 лет).

Инженерно-археологические исследования кроме рассмотренных свидетельств развития оползневого процесса в грунтовом массиве возвышенности территории монастыря выявляют соответствующие конструктивные особенности. Так, восточная стена абсиды собора имеет мощные кирпичные контрфорсы, свидетельствующие о попытках в процессе эксплуатации здания собора удержать его от развивающегося крена стены. Другим примером этого процесса является изменение в линии верхнего обреза фундамента восточной стены южной галереи, где консольный прогиб оползневой осадки от северного до южного угла галереи (рис. 5) составляет 120 мм, а относительная осадка оползневого консольного прогиба - 0,049. Имеются и другие доказательные примеры.

Таким образом, можно сделать определенный вывод, что оползневой сход склона возвышенности территории монастыря развивается в юго-восточном направлении относительно продольной оси собора.
Накопленный опыт инженерно-археологических изысканий архитектурных памятников Владимирской области и гидрогеологической среды их обитания позволили определить достойное место новому научному направлению – «Инженерная археология», сформулировать принципы решения инженерных задач в реставрационном строительстве, базируясь на следующих основных закономерностях:

В верхнем осадочном слое поверхности Земли с течением времени на разных глубинах формируются кольматационные прослойки грунта за счет проникновения в него пылеватых и коллоидных частиц с дневной поверхности и суффозионного их переноса в потоке инфильтрата атмосферных осадков и талых вод, образующие относительные водоупоры для миграции верховодки по их кровлям;

Возводимые здания и сооружения, испытывая осадки, деформируют грунтовую толщу и прослойки кольматационных водоупоров, изгибая их воронками, в центре которых находятся сами сооружения, что создает условия для миграции инфильтрационных вод к подземным частям зданий и их основаниям сверху. С течением времени этот процесс подтопления верховодкой прогрессирует и для древних строений становится доминирующим;

Диаметры осадочных воронок для древних зданий, простоявших 4...6 столетий, по величине составляют у поверхности земли в три раза больше величины линейно деформируемой толщи основания фундаментов исследуемых зданий;

Глобальное изменение гидрологических условий, связанное с увеличением объема жидкой фазы воды на Земле и накопления ее в грунтах, создает условия для подъема уровня сформировавшихся подземных вод и подтопления оснований зданий и сооружений снизу;

Объем и интенсивность инфильтрационного потока верховодки с увеличением жидкой фазы воды на Земле возрастает, так как увеличивается и ускоряется круговорот воды в системе «атмосфера - грунтовая толща», а следовательно возрастает ее влияние на физико-механические свойства грунтов оснований, величину дополнительной неравномерной осадки фундаментов зданий и сооружений и долговечность последних;

Для ликвидации оползневых процессов застроенных возвышенных территорий целесообразно использовать гибкие гравитационные системы инженерных сооружений, которые, не нарушая критического равновесия между сдвигающими и удерживающими силами, увеличивают последние и способствуют саморегуляции в перераспределении опасных напряжений в укрепленном массиве грунта;

При разработке проекта усиления фундаментов для древних и старых зданий целесообразно разрабатывать такие их конструкции и системы взаимосвязей, которые обеспечивают конструктивную жесткость подземной части, способную полностью воспринимать напряжения от неравномерности деформаций оснований, не передавая их на конструктивные элементы верхнего строения;

В проектах по восстановлению конструктивной прочности элементов древних и старых зданий целесообразно предусматривать разработку инженерно-мелиоративных мероприятий по защите их подземной части от подтопления подземными водами. При этом система защитных мероприятий не должна изменять природное равновесие миграционных потоков подземных вод и усугублять гидрологические условия прилегающих территорий.

При использовании материалов сайта ссылка на источник обязательна.

© НПФ «Тектоника», 1991-2020.