Для зданий Санкт-Петербурга, построенных до первой четверти XX века, фундаменты
возводились в основном бутовые и выполнялись из известнякового камня на известковом
растворе. Многолетний опыт проведения обследований подобных конструкций показывает,
что бутовые фундаменты за более чем вековой период их эксплуатации, получают разрушения
(физический износ) с потерей сплошности и снижением прочностных характеристик. На
рис. 1.2 представлены наиболее типичные фотографии внешней стороны кладки бутовых
фундаментов, полученные из шурфов.
Рис. 1.2. Фотографии внешней стороны кладки бутовых фундаментов со следами физического
износа и снижением прочностных свойств.
В наибольшей степени разрушение кладки бутовых фундаментов выполненных из известкового
камня происходит в местах переменного уровня грунтовых вод. Эти явления связаны
в первую очередь с многочисленными (до 30 раз в год) колебаниями грунтовых вод вследствие
проявления нагонных наводнений в Санкт-Петербурге. Периодические колебания грунтовых
вод, изменяя состояние бутовой кладки по влажности, вызывают, прежде всего, разрушение
известкового раствора, расположенного между отдельными камнями кладки.
Рис. 1.3. Зонирования бутового фундамента по распределению интенсивности деструктивных
процессов, обусловленных грунтовыми водами.
В результате такого выветривания известковые камни бутовой кладки теряют связь между
собой, а это делает всю конструкцию фундамента уязвимой к динамическим воздействиям
(рис. 1.3).
Если рассматривать период до начала XX века, то такая кладка бутового фундамента,
не испытывая динамического фона колебаний от движущегося уличного транспорта, удовлетворительно
воспринимала статические нагрузки и была достаточно безопасной.
В наше время существующий постоянный фон динамических колебаний от движущегося многочисленного
транспорта вызывает колебания не связанных между собой камней бутовой кладки, и
тем самым, способствует развитию дополнительных неравномерных осадок фундаментов,
а, следовательно, и появлению трещин в конструкции зданий. Надежность такого фундамента
низка и конструкция, безусловно, требует выполнения работ по усилению (созданию
монолитности, сплошности).
Прямым методом определения степени разрушения бутового камня и известкового раствора
в теле фундамента является метод бурения исследовательских скважин небольшого диаметра.
В этом случае уже в период проведения обследования, по скорости проходки бурового
снаряда можно судить о прочностных свойствах (монолитности, сплошности) бутовой
кладки. Так на рис. 1.4 представлена опытная графическая зависимость скорости проходки
бурового снаряда по глубине тела фундамента, полученная по многочисленным исследованиям.
Из представленных материалов видно, что повышенная скорость проходки (со средней
скоростью 2,5…2,8 см/мин) соответствует глубине от 0,6 м до 1,45 м. Именно этот
интервал глубин соответствует переменному уровню грунтовых вод (УГВ), или II зоне
по рис. 1.3.
|
|
|
Рис. 1.4. Графики скорость проходки бурового снаряда: 1 – ослабленная зона в бутовой
кладке фундаментов (повышенная скорость проходки)
|
Рис. 1.5. График изменения прочности известняка по высоте фундамента
|
Проведение буровых работ по телу фундамента позволяет извлечь керн и провести лабораторные
испытания известкового камня на прочность. Результаты таких испытаний представлены
на рис. 1.5. Данная графическая зависимость достаточно наглядно показывает на зону
пониженной прочности камня и, следовательно, позволяет оценить прочность всей бутовой
кладки фундамента в целом.
Для большей объективности выявления возможных зон пониженной прочности бутовой кладки
фундамента, в настоящее время практикуется методика оценки состояния тела фундамента
с использованием мини-телекамеры (рис. 1.6.). В этом случае в пробуренную скважину
диаметром 40 мм в теле фундамента, опускается мини-телекамера и производится видеосъемка
и фотографирование состояния бутовой кладки фундамента из скважины. На фотографиях
видеосъемки (рис. 1.6.) хорошо различимы незаполненные полости различных размеров,
расположенные на различных глубинах.
Такая методика обследования позволяет получить более наглядную картину состояния
разрушения (износа) конструкций бутового фундамента и принять решение о необходимости
его усиления. В случае же предполагаемого дополнительного нагружения фундаментов
вследствие реконструкции, представленная методика обследования фундаментов становиться
наиболее актуальной.
Рис. 1.6. Схема буровой скважины с фрагментами видеосъёмки наиболее характерных
полостей в теле фундамента: 1 - зона переменного положения УГВ.
Следует подчеркнуть, что степень выветрелости (износа) бутовой кладки фундаментов,
определяемая в момент обследования в отдельных точках, является не однородной даже
для одного и того же здания. Это явление зависит от многочисленных факторов и в
том числе от состояния материала и условий эксплуатации здания. Для уточнения размеров
разрушений фундаментов в той или иной степени, могут быть использованы различные
дополнительные методики геофизических исследований.
Другой особенностью большинства зданий исторического центра Санкт-Петербурга являются
ленточные бутовые фундаменты, под подошвой которых расположены деревянные лежни.
При средней глубине заложения 2…2,5 м подошва бутовых фундаментов и деревянные лежни
под ними в период постройки располагались ниже уровня грунтовых вод.
Конструктивное решение, с расположением деревянных лежней в изолированной среде
с низким содержанием газов (ниже уровня грунтовых вод), позволяет эксплуатировать
данную конструкцию в надежном состоянии достаточно долго. Так при реконструкции
опор «Горбатого мостика» Ч. Камерона В Павловском парке, дата постройки которого
относится к концу 18 века, в основании были обнаружены деревянные лежни диаметром
до 40 см сохранившиеся в прекрасном состоянии [3]. Более 200 лет данные конструктивные
элементы, расположенные на глубине около 3 м и ниже грунтовых вод, выполняли свою
функцию.
В случае же понижения уровня грунтовых вод ниже отметки заложения лежней либо повышения
температуры воды вследствие утечек из теплосети, древесина лежней подвергается гниению.
Процесс гниения лежней в этом случае может протекать настолько интенсивно, что уже
через 3…5 лет дерево может превратиться практически в труху, что неизбежно является
причиной развития дополнительных неравномерных осадок уплотнения.
В качестве примера на рис. 1.7 и 1.8 по результатам откопки шурфов представлены
поперечные сечения по фундаментам обследуемого здания по ул. Гражданской в Санкт-Петербурге.
Рис.1.7. Поперечный разрез по фундаменту (по результатам откопки шурфа) с характерной
схемой состояния бутового камня и деревянных лежней.
Как видно из рис. 1.7, бутовый ленточный фундамент под наружную стену здания имеет
высоту всего 70…80 см под подошвой которого расположены деревянные лежни-бревна
диаметром 25 см. В последние годы эксплуатации здания уровень грунтовых вод (WL)
опустился до отметки низа лежней, что создало условия гниения древесины.
Конечный результат процесса гниения деревянных лежней отчетливо просматривается
на рис. 1.8, где первоначально уложенных бревен уже фактически нет, а наблюдаются
лишь остатки гумуса. Данное состояние было отмечено под фундаментами средней стены
обследуемого здания, которые имеют значительно меньшую высоту (50 см) и глубину
заложения по сравнению с фундаментами наружных стен.
Представленное состояние конструкций фундаментов для существующего здания, построенного
более 150 лет назад, было определено по результатам предварительных обследовательских
работ. Обследование же конструкций данного здания было вызвано появлением и развитием
трещин в отделке и несущих конструкциях стен.
Рис.1.8. Поперечный разрез по фундаменту (по результатам откопки шурфа) с характерной
схемой состояния бутового камня и сгнившими деревянными лежнями.
Нетрудно представить, что причиной развития трещин в конструкциях обследуемого здания
явились неравномерные осадки, вызванные в первую очередь гниением деревянных лежней
в напряженной зоне оснований – контактном слое.
Следует отметить, что история эксплуатации исторических гражданских зданий (возрастом
100…150 и более лет) не однозначна. Так, в исторической части Санкт-Петербурга часто
встречаются здания, которые ещё в конце 19 – начале 20 веков были надстроены одним
или двумя этажами. Проводимы в то время реконструкции - надстройки, как правило,
не затрагивали существующие фундаменты и их основания. В результате фундаменты и
основания получали дополнительное нагружение и, как следствие, дополнительные неравномерные
осадки, вызывающие появление трещин в кирпичных несущих стенах. Перегруженное основание
таких зданий в настоящие время находится в состоянии предельного равновесия, вызывая
перераспределение усилий в надземных конструкциях, т.е. включает в работу каркас
сооружения. В результате усилия, возникающие в несущих конструкциях каркаса сооружения,
во многих случаях оказываются выше предельно допустимых величин, что вызывает появление
и постепенное раскрытие трещин.
Наличие трещин, особенно в несущих кирпичных стена исторических сооружений, можно
обнаружить не только инструментально, но и наблюдать визуально. Такие здания, с
визуально наблюдаемыми трещинами в стенах, встречаются довольно часто и они, безусловно,
нуждаются в проведении ремонтно-восстановительных работ. В этом случае следует подчеркнуть,
что восстанавливать фасады, лепнину таких зданий, следует после достижения стабилизации
(выравнивания) осадок фундаментов, т.е. бороться нужно в первую очередь с причинами
данного явления, а не с последствиями. Если будут устранены недопустимые осадки
фундаментов таких зданий, то проведение работ по восстановлению фасадов будет вполне
оправдано, т.к. позволит сохранить данные здания без появления видимых трещин на
длительный период эксплуатации.
Следует подчеркнуть, что проводить в современных условиях реконструкцию зданий,
имеющих перегруженное основание (возведение этажа или мансарды), без выполнения
работ по усилению данного основания, не представляется возможным.
Таким образом, решения, связанные с дополнительным нагружением существующих бутовых
фундаментов, имеющих фактически значительный износ (многолетний период эксплуатации),
должны быть тщательно обоснованы с учётом рассмотрения нескольких последовательных
положений:
- Определение степени прочности и сплошности тела бутовой кладки фундамента.
- Наличие и состояние деревянных лежней под подошвой фундамента.
- Определения физико-механических характеристик грунтов основания, расположенных непосредственно
под подошвой.
- Оценки несущей способности оснований (выполнение расчётов по I и II предельным состояниям).
Ответы на поставленные вопросы в пп. 3 и 4 в достаточно полной мере отражены во
второй главе.