CC BY
65
1/2006
ОСОБЕННОСТИ ДЕСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТОВ И НАДФУНДАМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИСТОРИЧЕСКИХ ЗДАНИЙ
Л.И. Черкасова Г.В. Алексеев Е.А. Медведев
Большинство исторических зданий возведено на бутовых фундаментах. Конструкция фундаментов и используемые строительные материалы, обусловили развитие деструктивных процессов отличных от процессов, происходящих в современных конструкциях. Деформации надфунда-ментных конструкций, опирающихся на бутовые фундаменты, также имеют ряд характерных отличий. Проведенные нами за последние годы обследовательские работы позволили выделить некоторые особенности деформаций стен и бутовых фундаментов исторических зданий.
На интенсивность деструктивных процессов влияют условия взаимодействия бутового фундамента и окружающей его грунтовой среды. Сохранение несущей способности бутовой кладки также зависит от способа укладки, формы, прочностных характеристик бутовых камней, состояния кладочного состава, а также наличия деревянных конструктивных элементов. В качестве вяжущего применялись известково-песчаный, романцементно-песча-ный, глиняный и другие растворы.
Практиковались два способа укладки бутовых фундаментов: «под лопатку» и «под залив» (Рис.1а). В первом случае бутовые камни укладывались рядами. Такой фундамент сохраняет прочность даже после деструкции раствора за счет плотной укладки пастелистого известняка. Во втором - засыпанный в ров бут из известковых камней или кирпичного боя различной формы и размера послойно проливался известковым раствором. При обильной проливке раствором число контактов между камнями становится минимальным. В неблагоприятных условиях такой фундамент теряет жесткость и по прочностным свойствам приближается к насыпи. Иногда в одном и том же фундаменте способы укладки бута чередуются.
Поверх бутовой кладки устраивался выравнивающий слой извести иногда с мелким щебнем, покрытый изолирующим слоем бересты. Через слой извести шло испарение влаги, поднимавшейся из грунта. В состав бутовых фундаментов часто входят деревянные элементы, которые, как правило, полностью потеряли несущую способность.
Глубина заложения фундаментов меняется в больших пределах даже для одного здания. Так, например, при постройке храмов наибольшую глубину имели фундаменты колокольни, столпов и четвери-
Рис. 1. Конструктивные схемы бутовых фундаментов. а - бутовый фундамент, выполненный в технике "под залив"; б - бутовый фундамент с трапециевидным поперечным сечением; 1 - кладка из красного кирпича на известково-песчаном растворе; 2 - кладка из тесаных белокаменных блоков на известково-песчаном растворе; 3 - выравнивающий слой, представленный известково-песчаным раствором с заполнителем в виде щебня, дресвы белого камня, боя кирпича и т. д.; 4 - забутовка из глыб и валунов, пространство между которыми просыпано материалом из тех же пород более мелкой фракции, строительным мусором (бой кирпича, камень кладочного раствора и т. д.) и пролито строительным раствором; 5 - забутовка из крупного щебня, гальки, дресвы, как правило, осадочных горных пород, а также строительного мусора (бой кирпича, камень кладочного раствора и т.д.); бутовый материал обильно пролит раствором и не контактирует между собой
ка, в то время как фундаменты приделов могли находиться выше глубины промерзания.
Основанием зданий часто служат насыпные техногенные отложения. Новые здания возводились на месте старых, в этом случае в основании могут залегать техногенные грунты, содержащие золу и деревянные элементы, перекрытые слоем насыпи. Под частью здания могут встречаться фрагменты более древней бутовой кладки.
С течением времени по периметру зданий поверхность поднимается иногда на высоту более метра, что приводит к погружению стен и фундаментов в техногенный грунт. Известковый раствор под влиянием неблагоприятной экологии окружающей среды и постоянного увлажнения теряет прочность. В бутовом фундаменте развиваются процессы, характерные для грунтовой среды: суффозия, вызванная движени-
ем грунтовых вод сквозь бутовую кладку, и криогенные процессы морозного пучения.
Фундаменты, обладающие высокой степенью пустотности, оказываются хорошо проницаемыми для поверхностных потоков воды в период интенсивной инфильтрации атмосферных осадков. Вода, с одной стороны, вымывает и разрушает известковый раствор, что приводит к образованию полостей, с другой - способствует вмыванию пучи-нистого материала в виде линз. Все это создает условия для развития сил морозного пучения не только по боковой поверхности, но и в теле фундамента выше глубины промерзания.
Стимулирует развитие криогенных процессов промерзание фундаментов из-за отсутствия отопления, скопление верховодки, и конструктивные особенности сооружений. Криогенные деформации интенсив-
т к.
но развиваются в фундаментах восточных стен приделов церквей [1, 2, 3], у которых происходит накопление грунтовых вод и в местах, где нарушена соосность фундаментов и стен, а нагрузка от стен передается с эксцентриситетом. Воздействие сил морозного пучения значительно увеличивается при форме поперечного сечения фундамента в виде трапеции (Рис. 1б).
В фундаментах, заложенных выше глубины промерзания, образуются вывалы бута и расслоение бутовой и нижней части стеновой кладки.
В глубоко заложенных фундаментах также происходят разрушения на уровне глубины промерзания и выше. Например, фундаменты восточной стены Казанской церкви Дивеевского монастыря с глубиной заложения d =-1,8 м, имеют сильные разрушения у поверхности до глубины 1-1,2 м, в то время как ниже глубины промерзания бутовая кладка сохранилась достаточно хорошо.
Коммуникационные системы зданий исторической застройки чаще всего находятся в аварийном состоянии. В результате протечек из коммуникаций, разрушения систем водоотвода в основании возникают суффозионые процессы, приводящие к образованию областей разуплотненного грунта и пустот в основании. Химическая и механическая суффозия происходит также в бутовой кладке и стенах. При образовании пустот в основании бутовая кладка с деструктированным раствором расслаивается и частично осыпается, а стена над ней зависает за счет жесткости кирпичной кладки и связи с другими стенами. В кирпичной кладке развиваются растягивающие напряжения, приводящие к образованию сквозных гори-
зонтальных трещин, проходящих в швах между рядами кирпича. Так например, при создании шпунтового ограждения в непосредственной близости (0,5-0,3 м) от здания по ул. Садовая-Спасская в Москве, в результате разуплотнения основания в стене над местом просадки образовалась сквозная горизонтальная трещина длиной 3 м раскрытием до 4 см. Зондирование в шурфах показало в этом месте на глубине 1,6 м ниже подошвы фундамента зону рыхлого водонасыщенного песка, температура которого достигала 50°С. Разжиженный в результате протечек песчаный грунт поступал в пробуренные скважины, так как выбранная технология допускала проходку скважины под шпунт без обсадки.
В здании Института Акушерства на ул. Солянка обследование выявило наличие рыхлых техногенных грунтов в основании, содержащих погребенные деревянные конструкции и органические включения. К моменту обследования рыхлый песчаный грунт находился в маловлажном состоянии, однако, при обследовании выявлены следы протечек. Последние годы в соседнем подвальном помещении располагалась кухня ресторана, к которой были подведены коммуникации. Во внутренних несущих стенах толщиной 0,8 м, пересекающихся под прямым углом, на высоте 2 м была обнаружена горизонтальная сквозная трещина раскрытием до 5 мм, в замке сводчатых перекрытий также замечена трещина. Фундамент, вскрытый в шурфе, практически осыпался в полость, образовавшуюся в рыхлом песке, содержавшем элементы сгнивших деревянных конструкций. В настоящее время происходит самоуплотнения насыпного грунта, что подтверждается
Рис.2. Расслоение бутовой кладки с образованием пустот и полостей вследствие
разуплотнения основания. 1- кирпичная кладка; 2- белокаменная кладка; 3- бутовая кладка; 4 - полости в бутовой кладке; 5, 6 - пол подвала; 8 - щебеночная подготовка; 9 - рыхлый грунт основания
расслоением бутовой кладки с образованием сквозной полости (Рис.2) и появлением горизонтальных трещин длиной до 3-х м в стенах, зависших над образовавшейся полостью.
В здании школы Святого Георгия на бутовые фундаменты опираются колонны первого этажа. К моменту обследования в одной из колонн в уровне пола образовалась сквозная горизонтальная трещина. В резуль-
тате постоянных протечек из построенного после реконструкции бассейна в части здания размыт насыпной слой под полом 1 этажа. Раствор в бутовом фундаменте полностью вымыт и частично заменен грунтом. Колонна практически зависла на перекрытиях над 1 этажом.
Таким образом, расслоение кладки в кирпичных стенах и колоннах может указывать на образование области разуплотнения основа-
Т к.
ния, в результате механической суффозии вызванной протечками коммуникаций и, как следствие, на возникновение растягивающих напряжений в кладке стен.
Поднятие уровня планировки и погружение фундаментов в грунтовую среду приводит к разрушению горизонтальной гидроизоляции и увлажнению кладки фундаментов и стен. При этом теряет прочность верхний выравнивающий слой раствора между бутовой и кирпичной кладкой. Жесткое защемление заменяется шарнирным опиранием кирпичной стены на бутовую кладку, что может привести к существенному уменьшению предельных допустимых нагрузок и к потере устойчивости стен в виде выпучивания.
Величина и форма выпучивания зависит в первую очередь от осадок фундамента, а также от наличия связи деформированной стены с перекрытиями и поперечными стенами.
Пучение стены сразу в двух направлениях было зафиксировано при обследовании здания во дворе дома на Марксистской ул. д.20, представляющего собой одноэтажный кирпичный корпус прямоугольной формы в плане размером 28 х 10 метров.
Основание представлено техногенными насыпными грунтами мощностью 2,5-3,0 м. Деформации основания в процессе эксплуатации могли быть вызваны как работами по подводке коммуникаций, так и протечками из труб. Фундаменты выполнены из рваного известняка пролитого известковым раствором.
Поверхность в результате многократного асфальтирования поднялась на 0,2-0,7 м и, соответственно, здание погрузилось в грунт на 70 см. Наличие толстого слоя асфальта, препятствующего естественной
аэрации, привело к разрушению раствора кладки.
Торцевая стена по оси 5 имеет прогиб, максимальная величина которого в центральной части достигает 11см. В верхней части стены смещение сдерживается диафрагмой перекрытия. Толщина стены 51см, высота - 3,64 м.
Выпучивание одной из поперечных внутренних стен наблюдалось в здании Института Акушерства на Солянке. В шурфе был вскрыт старый ливнесток, из которого практически постоянно под стену вытекала вода, стимулируя развитие суф-фозионных процессов. Выпучивание стены произошло над местом наибольшей просадки фундамента.
Похожие деформации произошли в стене здания по адресу: 1-я Брестская ул., д.43. Здание, построенное в XIX в., многократно перестраивалось и достраивалось. В результате многочисленных реконструкций одна из стен толщиной 0,64 см из внутренней стала внешней.
Фундамент под стеной имеет глубину заложения =-1,55-1,37 от планировочной отметки и 0,420,60 м от чистого пола. Фундамент выполнен из кирпичной кладки, опирающейся на кирпичный бой, уложенный без раствора. Перевязка с поперечными стенами отсутствует. Ширина фундамента 6=0,7 м. У стены расположены душевые кабины.
В шурфе был отчетливо виден наклон кладки последних рядов кирпичей, образовавшийся в результате неравномерных осадок. Выше пола подвала и до перекрытий 2-го этажа стена имеет выпучивание, достигающее 12 см. Для обеспечения устойчивости с внешней стороны стены ранее был выполнен кирпичный контрфорс, который не предотвратил дальнейшие развитие деформаций.
Визуальное обследование исторических зданий играет важную роль, так как далеко не всегда обеспечена возможность проведения полного комплекса работ, а изучение характера трещин и деформаций стен, позволяют уже на этой стадии сделать предположения о деструктивных процессах, происходящих в бутовых фундаментах и основаниях.
В бутовом фундаменте при неблагоприятном сочетании различных факторов со временем развиваются процессы, характерные для грунтовой среды: суффозия и морозное пучения. Результатом этих процессов является отсутствие жесткой связи фундамента с надфун-даментной конструкцией, выпучивание стен, расслоение бутовой кладки и образование горизонтальных трещин в стенах и колоннах. Деструктивные процессы, протекающие в бутовых фундаментах, в большей степени проявляются в кладке, выполненной в технике «под залив».
Выпучивание стен может объясняться двумя причинами:
- потерей устойчивости в результате замены жесткого защемления стены шарнирным опиранием на уровне обреза бутовой кладки;
- просадкой основания и бутовой кладки, повлекшей зависание стен и столбов на поперечных стенах и перекрытиях.
Горизонтальные трещины образуются вследствие появления растягивающих напряжений в кладке, свидетельствующих о возможном образовании зоны разуплотнения основания.
При исследовании фундаментов в шурфах необходимо проводить бурение и статическое зондирование, позволяющие обнаружить зоны разуплотнения в основании сформировавшиеся на значительной глубине. Такие исследования не могут ограничиваться предусмотренной правилами зоной - 0,5 м ниже подошвы фундамента, так как деформации могут быть вызваны суффо-зионными процессами, происходящими на большой глубине.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. «Деструктивные процессы в бутовых фундаментах Казанской церкви Дивеевского монастыря». Черкасова Л.И., Чернышев С.Н. Основания, фундаменты и механика грунтов. №5 2004г.
2. «Особенности процессов деструкции фундаментов Останкинского дворца-музея творчества крепостных» Алексеев Г. В., Домарев О. В., Черкасова Л. И. Сборник прикладных научно-технических работ областного факультета ПГС, М., 2000, стр. 158-161.
3. Исследование возможностей увеличения нагрузки на фундамент одноэтажного здания по Марксистской улице, дом 20, строение 10. Х/д № 200/99.
4. Техническое обследование несущих конструкций здания по адресу:1-я Брестская ул., д.43. 2002г.
5. Техническое заключение о состоянии оснований и фундаментов здания по адресу: ул. Солянка, д. 14/2. 2003г.
6. Техническое заключение о состоянии несущих конструкций здания по адресу: ул.Ейская, д. 5/9. Х/д № 315/01. 2001г.
