23411-1 (Исследования инженерно-геологических условий памятников истории и культуры)

Исследования инженерно-геологических условий памятников истории и культуры

“...из всех ошибок, происходящих на постройке, наиболее пагубны те, которые касаются фундамента, так как они влекут за собой гибель всего здания и исправляются только с величайшим трудом...”

А. Палладио, “Четыре книги об архитектуре” 1750 г.

Большинство памятников истории и культуры или тесно взаимосвязаны с геологической средой, или же являются ее составной и неотъемлемой частью. К ним, в соответствии с законом РФ, относятся:

– здания и сооружения – памятники истории, связанные с важнейшими событиями в жизни человеческого сообщества;

– городища, курганы, остатки древних поселений и крепостей, дороги, захоронения, наскальные изображения и каменные изваяния, а также культурный слой, являющиеся памятниками археологии;

– архитектурные ансамбли, остатки древних поселений, сооружения промышленной, военной, культовой архитектуры, садово-парковые ансамбли и природные ландшафты – памятники градостроительства и архитектуры.

Подавляющее большинство памятников, входящих в перечисленные категории, на территории Российской Федерации находится в аварийном или деформированном состоянии, подвержены разнообразным деструктивным процессам, нарушающим их целостность. Особенно это касается памятников архитектуры – более 80% их зданий и сооружений разрушаются под воздействием именно геолого-географических факторов [8, с.44].

Проявления разрушительных процессов в сооружениях весьма типичны. С поверхностей стен, полов и сводов зданий отслаиваются и осыпаются покрытия (плитка, штукатурка, краска и др.). В углах, в нижних участках внутренних и наружных стен помещений появляется сырость и налеты солей, вырастают микроорганизмы (лишайник, мох, водоросли и др.). Здания наклоняются, в конструктивных элементах появляются трещины. Гладкие поверхности конструкций становятся волнистыми, ступенчатыми, заклинивают двери и оконные рамы. Разрушаются металлические и деревянные связи и стяжки, кирпичные и каменные стены и перекрытия.

Традиционными, косметическими методами “лечения” исторических сооружений являются: шпатлевка трещин, штукатурка и покраска стен, обновление фресок, вычинка разрушенных фрагментов и их мелкий ремонт, пристройка упоров, контрфорсов, стяжка разорванных, разрушенных элементов, армирование конструкций металлическими поясами.

Такие сравнительно простые реставрационные работы, как правило, повторяются из года в год без анализа вызывающих их причин. Ответы на вопросы: “почему происходят изменения памятника? С какими условиями или причинами они связаны?” и др. начинают искать тогда, когда положение становится угрожающим для памятника, он наклоняется, оседает, перекашивается, по быстро разрастающимся трещинам отделяются фрагменты или неожиданно происходит полное или частичное разрушение всего сооружения.

Основными причинами деструкции исторических сооружений являются:

а) глобальные и локальные изменения природных условий функционирования сооружений, связанные с длительным сроком их существования;

б) искусственное, целенаправленное изменение режима эксплуатации сооружения;

в) ошибки или неопределенности в расчетах и представлениях, имевшие место при строительстве или реконструкции сооружения, недостаточно полное обоснование проектных (архитектурных) решений, неучет неоднородности основания, возможности развития геологических процессов;

г) недостаточная и различная прочность использованных при возведении сооружения строительных материалов и компонентов геологической среды.

а. Изменения условий существования сооружений имеет как общий (планетарный) характер, так и местный (локальный).

В первом случае наблюдается повышение общей агрессивности внешней среды, усиленное воздействие физических и химических факторов, ведущих к выветриванию, рост негативного влияния других условий и причин разрушения.

Повышается среднегодовая температура атмосферы Земли. По данным С. М. Семенова и В. С. Ковалевского (1999 г.) ее рост только с 1861 по 1981 год составил 0.6°С. Увеличивается количество атмосферных осадков, инфильтрационный и поверхностный сток и, соответственно, меняются режимы движения верховодки и грунтовых вод. Растет содержание агрессивных веществ в атмосфере. Повышение кислотности атмосферных осадков ускоряет разрушение строительных и отделочных материалов сооружений. Скорость “старения” сооружений в последние годы значительно возросла.

К факторам глобального характера можно также отнести практически повсеместный рост мощности сравнительно агрессивного по своим свойствам техногенного слоя, появление разрушающих строительные материалы микроорганизмов и т.п.

Так, например, мощность техногенного слоя вокруг Михеевской церкви Троице-Сергиевой Лавры за 260 лет увеличилась на 1.1 – 1.4 м. Деструкция цокольной части фундамента и основания стен Михеевской церкви под его воздействием распространилась на глубину 0.6 м.

Во втором случае, на локальном уровне, происходит множество индивидуальных для каждого памятника изменений условий его существования. Неравномерное гниение укрепляющих основание свай-“коротышей”, развитие пучения, карста, суффозии и других геологических процессов, разрушение отмостки или создание паронепроницаемого покрытия, строительство рядом с памятником вредного для окружающей среды производства или уничтожение близко расположенного водоема и т.п.

б. В процессе длительной жизни памятников многократно менялось общественно-политическое устройство общества, социальные, экономические условия, культурные и нравственные традиции. Сообразно менялись и условия их эксплуатации. Сооружения перестраивали, приспосабливая к новым направлениям использования, прекращали эксплуатировать и, как следствие, промораживали и насыщали конструкции влагой, увеличивали и уменьшали нагрузки на основание. Они горели и разрушались в процессе войн и набегов. Их превращали в склады и тиры, жилые помещения и клубы, фабрики, водонапорные башни и учебные заведения и т.п. Соответственно менялись величины и режимы нагрузки на основания сооружений. Они становились меньшими или большими, динамическими или статическими и т.д. Иногда полностью разрушали наземную часть здания, и сохранялся только фундамент, подвальные помещения, коммуникации или их фрагменты. В некоторых случаях только по изменениям структуры и свойств техногенных отложений, индивидуальным особенностям структуры полей показателей свойств (в широком смысле) грунтов, геологической среды мы можем судить об особенностях ранее существовавшего сооружения. Такая инженерно-геологическая информация может весьма эффективно использоваться для решения “обратных” инженерно-геолого-археологических задач.

в. Архитекторы и строители памятников во время их возведения, сейчас это очевидно, недостаточно представляли себе инженерно-геологические условия строительства. Весьма показательным является сравнение оценок инженерно-геологических условий строительства сооружений, данных Витрувием в середине I в. до н.э. [1] и А. Палладио в 1570 году [5].

Можно предположить, что правила или рекомендации, предлагаемые двумя корифеями архитектуры, показывают уровень и динамику развития представлений об основаниях и фундаментах возводимых в их время сооружений.

Инженерно-геологические условия строительства сооружения оценивались архитекторами, руководившими в то время постройками сооружений, достаточно просто. Основным и, по сути, единственным оцениваемым элементом условий являлись грунты основания сооружения.

Для заложения фундамента Витрувий предлагает копать канаву до материка, а при необходимости и в материке, на глубину, соответствующую объему возводимой постройки. Если в основание сооружения попадает “земля болотистая” или “наносная”, то ее предлагается удалить и забить обожженными сваями как можно теснее, а промежутки между ними завалить углем. Под материком, по-видимому, Витрувий понимает “ненаносные” и “неболотистые” коренные или четвертичные достаточно литифицированные грунты [1, с.71].

Спустя полторы тысячи лет А. Палладио более подробно рассматривает и даже классифицирует грунты оснований сооружений. Он выделяет: “природные фундаменты” – камни, туф и scaranto (грунт с включениями камня), твердую почву, гравий, песок, разрыхленную землю, землю мягкую и болотистую [5, с.19]. По-видимому, это одна из первых инженерно-геологических классификаций грунтов. Можно отметить близость к ней первого уровня разделения грунтов (группы) в классификации пород (грунтов) Ф. П. Саваренского, выделяющего на уровне групп породы скальные, полускальные, мягкие связные, рыхлые несвязные и, наконец, мягкие и рыхлые породы особого свойства или состояния [9, с.19].

Природные фундаменты, по мнению А. Палладио, являются готовыми к использованию основаниями. Остальные – требуют дополнительной подготовки. Он указывает методы, которыми необходимо оценивать свойства и пригодность основания для строительства сооружения. К ним относятся: визуальные наблюдения за проходкой горных выработок (колодцев, котлованов под цистерны и др.); изучение растущих на исследуемом грунте трав; оценка проявлений динамических свойств грунтов при ударном воздействии. Предлагаются и специальные исследования: оценка сопротивления грунта резанию (искиметрия), оценка его размокания в воде. Эти указания являются первыми “вкладами в копилку” методов и методик современной методики инженерно-геологических исследований.

Заглубление фундаментов сооружений ставится в зависимость от их размеров и толщины стен. Палладио предлагает, “если почва окажется мягкой на значительную глубину...”, использовать какой-либо метод технической мелиорации в соответствии с методикой его реализации [5, с.19].

Сопоставление используемой А. Палладио методики оценки инженерно-геологических условий строительства сооружений с современной методикой исследований показывает возможность отсутствия у его коллег многих сведений, необходимых для оценки инженерно-геологических условий строительства сооружения, помогает вскрыть причины появления деформации исторических зданий.

Например, строительство трапезной с церковью Сергия Радонежского Троице-Сергиевой Лавры выполнялось, несомненно, в соответствии с методами, разработанными итальянскими архитекторами. Уникальное сооружение трапезной, перекрытое безстолпным пятнадцатиметровым кирпичным сводом, состоит из четырех разновесных блоков с диапазоном нагрузок на основании от 0.18 до 0.70 МПа. Расчетные сопротивления грунтов основания после забивки и последующей частичной или полной деструкции свай-“коротышей” оказалась равными 0.31 – 0.53 МПа. Очевидно, что здание испытывает неравномерную осадку, вследствие чего должно деформироваться и растрескиваться. Можно отметить еще один интересный факт. Строители трапезной отклонились от рекомендаций, предложенных Витрувием и А. Палладио, и забили сваи в 3 – 4 раза реже рекомендуемых значений. При правильной реализации итальянской технологии после сгнивания свай под зданием трапезной появились бы большие полости двухметровой глубины, которые могли привести к значительным деформациям здания. В настоящий момент величина “действительной свайной пустотности” (отношение объема пустот от сгнивших свай к объему включапющих их оснований сооружения) изменяется под зданием от 0 до 14% при “максимально возможной свайной пустотности” (отношение объема свай к объему включающих их оснований сооружения) от 4 до 22% [3]. Здание деформируется со скоростью 1 – 2 мм в месяц, но не разрушается.

г. Очевидно, кирпич, белый камень, дерево, другие строительные материалы не могут иметь одинаковый срок эксплуатации. Разные сроки “старения” имеют эксплуатируемые в различных условиях известняк, кирпич, металл и различные породы дерева, известковый раствор и бутовый камень. Даже один материал – кирпич, вследствие различных условий обжига, местоположения в обжигаемой партии, условий эксплуатации, разрушается не одновременно. Известняк только внешне однороден. На самом деле отдельные блоки известняка, полученные из одного месторождения, например Мячковского, по данным А. А. Ануфриева (1997) могут иметь существенно разные свойства, структуру, состав и состояние, и, соответственно, сроки разрушения. Основание многих исторических сооружений сложено разнообразными грунтами, имеющими разную несущую способность.

Забивка свай-“коротышей”, закрепление или выемка и удаление “слабых” грунтов – немногие методы технической мелиорации, рекомендованные итальянскими архитекторами. Сваи, во-видимому, в подавляющем большинстве случаев создавали значительный запас несущей способности грунтов, обеспечивали однородность основания, соответствие нагрузкам, идущим от сооружения. При их гниении запас несущей способности постепенно сменялся дефицитом [6].

Для улучшения свойств грунтов оснований монументальных сооружений с раннего средневековья до XIX века на Руси часто использовались именно деревянные сваи [8, с.27]. Дубовые или из хвойных пород дерева сваи длиной 0.7 – 2.2 м забивались в грунт основания сооружения, уплотняя его, повышая его несущую способность. Количество и толщина свай выбиралась, возможно, на основе оценки числа ударов, необходимых для забивки сваи, или состояния ее оголовка после забивки. Оценка параметров свайных полей с учетом толщины свай, выполненная для сооружений Троице-Сергиевой Лавры показала, что при забивке свай строители стремились получить максимально возможную плотность грунта (r) при его имеющемся состоянии – влажности (W), степени текучести (IL). Значения r, например, для покровных суглинков при W = 20 – 25%, даже после сгнивания свай, как правило, достигало 2.03 – 2.06 г/см3. В процессе длительного существования сооружений сваи, подвергаясь влиянию окружающей их среды, воздействию микро- и макроорганизмов – грибов, бактерий, червей, начинали гнить с разной скоростью, зависящей от конкретных условий, изменяющейся в значительных пределах даже на небольшом участке. Процесс разрушения свай рассмотрен достаточно подробно для разных памятников [6].