Археологические исследования памятников архитектуры

Осуществляя научно-техническое руководство, архитектор фиксирует свои указания в специальном журнале, который хранится на объекте и в котором производитель работ должен делать отметки об исполнении. Записи носят различный характер: в них отмечаются допущенные строителями отступления от проекта или нарушения технологии реставрации, указывается на необходимость тех или иных исправлений и переделок, устанавливаются для этого сроки. В них заносятся дополнительные пояснения к проекту и зарисовываются схематические чертежи, что позволяет оперативно разрешать возникающие в ходе реставрации вопросы. Такой журнал служит отражением всего хода реставрации, поэтому он ни в коем случае не должен уничтожаться, а после завершения работ его следует передать в архив своей организации либо в архив государственных органов охраны памятников как один из наиболее важных отчетных документов.

Помимо непосредственного научно-технического руководства реставрационным производством архитектор обязан по мере надобности привлекать к решению отдельных возникающих вопросов специалистов смежных областей. Так, если в ходе раскрытия выявляются не зафиксированные ранее признаки плохого состояния конструкций памятника, он должен вызвать на объект инженера-конструктора; если обнаружатся остатки росписей -- специалиста в области реставрации живописи; в случае необходимости производства земляных работ-- организовать археологический надзор. В экстренных случаях он может приостановить работы до обследования памятника специалистами соответствующего профиля.

Иногда полученная в ходе реставрационного раскрытия новая информация оказывается столь существенной, что это требует частичного пересмотра проекта реставрации. В этом случае архитектор должен поставить перед своей организацией и перед государственными органами охраны памятников вопрос о создании специальной комиссии, которая либо сама санкционирует необходимые изменения, либо решит приостановить производство до разработки нового варианта проекта, его повторного рассмотрения и утверждения.

По окончании реставрации архитектор обязательно участвует в приемке выполненных работ государственной комиссией, которую, как правило, возглавляет представитель государственных органов охраны памятников. При этом архитектор выступает как лицо, ответственное за правильность выполненных работ. Он может при необходимости воспользоваться своим правом научного руководителя и потребовать выполнения нужных доделок и исправлений, если в ходе реставрации это почему-либо не удалось сделать.

Научный отчет о реставрации

Требование обязательной научной отчетности о проведенной реставрации было сформулировано еще в конце прошлого века теоретиками «археологической» реставрации. Полный научный отчет необходим, прежде всего, для того, чтобы впоследствии было совершенно ясно, что в реставрированном памятнике является подлинным, а что и на основании каких данных внесено реставратором. Какими бы исчерпывающими ни казались на определенной стадии знаний исследовательские материалы и какой бы однозначной ни представлялась их трактовка, возможно последующее их переосмысление, и те, кто заинтересуется памятником в будущем, должны иметь возможность проникнуть в самую кухню реставрационного процесса. Кроме того, в ходе раскрытия нередко выявляются такие сведения о памятнике, которые по каким-либо причинам, например в силу неполноты или в силу ценности сохраняемых наслоений, не находят отражения в его реставрации. Между тем эти сведения могут иметь очень большое значение для понимания истории памятника, а иногда и для характеристики особенностей развития архитектуры определенного периода. Такая информация обязательно должна быть сохранена для науки, что возможно только при составлении научного отчета. Наконец, благодаря отчету фиксируются сведения о выполненных укрепительных работах, об их технологии, что окажется необходимым при возможных последующих реставрациях. Такие данные очень важны и для оценки в последующем эффективности примененных реставрационных средств, что станет возможным после длительных наблюдений за результатами и в конечном счете будет способствовать совершенствованию реставрационной технологии.

Отчет о реставрации должен, прежде всего, содержать краткую характеристику памятника. Это требование обусловлено тем, что иногда более или менее точная характеристика памятника оказывается возможной только как результат всего комплекса реставрационных исследований. В отчете дается изложение выполненной исследовательской работы с особым акцентированием тех новых данных, которые были получены в ходе реставрации памятника и не получили достаточного отражения в проекте. С максимальной полнотой описываются выполненные на памятнике работы по удалению поздних искажающих наслоений, по дополнению утраченных элементов, по вычинке поврежденных участков. Описание дополнений должно сопровождаться характеристикой данных, послуживших для их обоснования. В отчете обязательно отмечаются изменения, внесенные в предварительно разработанный проект реставрации. Подробно характеризуются все специальные меры по укреплению оснований и фундаментов, усилению конструкций, антисептированию, излагается технология выполненных защитных покрытий, подмазок и т.п. с приведением рецептуры примененных составов.

При значительных по объему реставрациях, которые привели к существенному изменению облика памятника, бывает необходимо составление исполнительных чертежей. Назначение таких чертежей двоякое. Прежде всего, они призваны представить основные проекции памятника в том виде, который он получил в результате проведения комплекса реставрационных работ и который обычно не соответствует не только исходному состоянию, зафиксированному в обмерных чертежах, но и чертежам предварительно разработанного проекта, поскольку в ходе работ в него бывают внесены те или иные изменения. Чаще всего эти изменения сводятся к корректировке по месту размеров и детальной прорисовке восстанавливаемых частей, но иногда они носят и более принципиальный характер. Таким образом, исполнительные чертежи призваны в дальнейшем служить тем же целям, что и обмеры памятника, передавая его в новой редакции-- результате проведенной реставрации. Другое важное назначение исполнительных чертежей -- дать по возможности исчерпывающее наглядное представление о содержании проведенных реставрационных работ. Для того чтобы чертежи могли выполнять такую роль, на них должны быть обозначены все внесенные изменения: разборки, дополнения, перелицовки и т.п. -- в соответствии с реально выполненными работами. Таким образом, исполнительные чертежи выглядят не только как изображение здания, но и как картограммы приведенных работ

Церковь Зачатья Анны в Зарядье. Исполнительный чертеж.

Картограмма выполненных работ :

1 -- восстановленная белокаменная кладка;

2 -- восстановленная кирпичная кладка;

3 -- новые кровли;

4 -- новые парапетные стенки, выполненные в связи с приспособлением памятника

Выполнение отчетных чертежей-картограмм тем более обязательно, чем ценнее и древнее реставрированный памятник и чем в большей степени проведенные работы коснулись художественно ценных элементов его декорации.

Помимо исполнительных чертежей к отчету обычно прикладываются протоколы всех заседаний и комиссий, на которых обсуждался проект реставрации и ее последующие стадии. Научный отчет должен быть передан на хранение в архив реставрационной организации и государственным органам охраны памятников.

Помимо основного текста отчета для всех сколько-нибудь значительных реставраций памятников архитектуры желательна публикация в научных изданиях его основного содержания с главными исследовательскими материалами и характеристикой существа выполненных работ.

Основные факторы разрушения памятников архитектуры

Диагностика причин деформаций и разрушений памятников архитектуры

Диагностика деформаций представляет собой одну из форм инженерных изысканий, выявляющую причины деформаций зданий и назначающую те или иные способы укрепления. Очевидно, что в сложном процессе реставрации диагностика разрушений и оценка технического состояния памятников-- наиболее важные аспекты, определяющие степень инженерного вмешательства в сложившуюся конструктивную схему древних зданий. Известны примеры технических решений, осуществленных на основе ошибочного представления о работе конструкций или неполной диагностики, не учитывающей действие какого-либо скрытого фактора или «наложения» нескольких явных факторов. В этих случаях временно скрытые дефекты снова проявляли себя и, прогрессируя, приводили к еще более сложному состоянию, требующему новых дорогостоящих укрепительных работ, часто искажающих облик памятника.

Любому виду разрушения и деформации конструктивных элементов предшествует либо одна причина, либо, как правило, целая цепь взаимосвязанных причин, действующих в определенной последовательности и затрагивающих многие промежуточные связи. Поэтому для правильной оценки технического состояния и назначения способа укрепления необходимо выявление и построение всей цепи разрушающих причин.

Сложная взаимосвязь конструкций в сочетании с действием изменяющихся природных и иных факторов требует также четкого представления о функциях каждого элемента или явления в начальной, промежуточной и современной стадиях работы системы. Наибольшую сложность представляет диагностика разрушений и оценка несущей способности древних распорных конструкций -- арок и сводов, что объясняется: спецификой сводов как пространственных систем, имеющих кладочную структуру; их зависимостью от состояния вертикальных несущих элементов и связевого каркаса; многообразием возможных трансформаций и перераспределений нагрузки, изменяемостью рабочей схемы(1.

Основой диагностики служит, прежде всего, изучение статического состояния здания -- его конструктивной системы, характера деформаций, а также сопоставление полученных данных с данными инженерно-геологических изысканий. Кроме того, в ряде случаев прибегают к изучению динамики деформаций путем сбора сведений о состоянии памятника в прошлом, повторных геодезических измерений повышенной точности и установки маяков на трещины. Маяки выполняются из раствора, гипса или иных материалов и снабжаются надписями, содержащими дату и порядковый номер, после чего периодически производится осмотр маяков с записью результатов наблюдения в специальных журналах.

1) В прил. 3 разбираются принципы работы основных сводчатых конструкций, применявшихся в русской архитектуре.

Причины деформаций и разрушений памятников архитектуры

Все виды деформаций памятников можно разделить по причинам происхождения на две основные группы:

1) деформации, связанные с внутренним, изначально заложенным пороком конструкции или системы «основание-- памятник»;

2) деформации, вызванные действием внешних, вторичных непредусмотренных факторов.

Причинами деформаций в первой группе могут быть:

неустойчивое естественное или искусственное основание фундаментов -- лесс, ил, просадочные. и пучинистые грунты, бревенчатые распределительные подушки, деревянные сваи, различная органика;

оползневой, карстовый, затапливаемый или сейсмический характер участка древнего строительства. Наличие родников, близкий уровень грунтовых вод;

слабый (рыхлый, мелкозаложенный и т.п.) фундамент сооружения, непропорциональная нагрузкам площадь ленточных и столбчатых фундаментов в различного рода сооружениях, например храмах крестово-купольной системы;

боковое давление грунта в подпорных стенках, засыпных цоколях, подвальных и ступенчатых конструкциях;

недостаточная общая пространственная жесткость зданий (большепролетные и длинные сооружения, здания с высокорасположенным центром тяжести масс); большая деформативность сжатых элементов -- колонн, стен, сводчатых перекрытий;

слабый или незамкнутый связевой каркас;

невоспринятый распор арочно-стоечных систем и сводчатых перекрытий;

нерационально приложенная или чрезмерная нагрузка на перекрытия; внецентренная нагрузка вертикальных несущих конструкций;

использование слабого -- трещиноватого или нестойкого к атмосферным воздействиям строительного материала (например, недожженого кирпича, сырой древесины); нерациональная ориентация блоков анизотропного(1, например слоистого, материала; нерегулярный характер кладки;

неблагоприятный разрушающий режим работы некоторых прочных строительных материалов, например новгородского железистого известняка, в фундаментных конструкциях, разрушающихся в агрессивной грунтовой среде, или элементов металлического связевого каркаса, корродирующих в гигроскопичном известковом растворе старой кладки;

нерациональная для водостока или снегозадерживающая форма кровельных поверхностей, несовершенная гидроизоляция, способствующая намоканию и размораживанию кладки конструкций перекрытия (позакомарные покрытия, ступенчатые кровли с кокошниками, плоские кровли открытых галерей, лестничные площадки, балконы и др.);

отсутствие деформационных и строительных швов в разнообъемных, вытянутых или разновременных сооружениях.

Причинами деформаций второй группы обычно бывают результаты человеческой деятельности: ирригационные работы, перепланировка и застройка участка памятника, внутренние перестройки в целях приспособления и различные эксплуатационные мероприятия. К внешним причинам деформаций относятся также преднамеренные разрушения отдельных конструкций, последствия войн и стихийных бедствий.

Вторичными причинами деформаций, в частности, являются:

изменение гидрогеологических условий участка памятника при обводнении и осушении территории с уменьшением несущей способности основания (снижение сил сцепления водонасыщенного грунта, гниение деревянных свай и другой органики, образование карстовых пустот, засоление грунта);

рытье, котлованов, бомбоубежищ, прокладка различных коммуникаций или линий метрополитена вблизи памятников; устройство глубоких подвалов и колодцев внутри существующих зданий;

несоблюдение технологии при подводке фундаментов;

пристройка к памятнику дополнительных объемов с большим заглублением фундаментов или значительной нагрузкой на основание;

строительство рядом с памятником сооружений, оказывающих на него боковое давление;

перепланировка и перестройка зданий с изменением начальной рабочей схемы (растеска и закладка проемов; замена сводчатых перекрытий плоскими; разборка существующих перекрытий или устройство дополнительных; демонтаж воздушных связей, разборка контрфорсов и контрфорсирующих пристроек);

изменение (увеличение, перенос) эксплуатационной нагрузки;

вибрационное воздействие транспорта, забивка и погружений свай, работа двигателей, генераторов и вентиляторов внутри здания; использование механизмов ударно-вращательного бурения для устройства шпуров и скважин инъекционного укрепления кладки;

дефекты кровель, водостоков, отмосток; протечки водопровода и канализации;

нарушение оптимального темпера-турно-влажностного режима памятника;

усушка древесины, обмятие узлов стержневых деревянных и комбинированных систем;

неорганизованный сброс отходов химических и перерабатывающих предприятий, загрязнение воздуха различными соединениями, активно разрушающими строительный материал памятников.

Разделение причин на группы может быть использовано в диагностике деформационных процессов и в их «управлении» при эксплуатации и ремонте памятников.

По внешнему виду деформации разделяются на:

вертикальные-- осадки фундаментов, отдельных конструкций или частей здания, усадка и раздавливание кладки, смятие и усушка деревянных несущих элементов; разрушение основных или временных поддерживающих конструкций;

горизонтальные-- подвижки фундаментов и частей памятника, смещения пят отдельных сводов, арок и распорных систем, расползание стропильных ног при утрате затяжек, расслоение кладки при коррозии закладного металла, температурные деформации;

изгибные -- искривление внецентренно нагруженных стоек, тонких стен и других элементов, прогибы балок и плит перекрытий, провисы поясов ферм, местные выполаживания кладки сводов;

смешанные -- представляющие сочетание нескольких видов деформаций.

Каждому виду деформации соответствует свой характерный внешний признак -- раскрытие трещин или швов, разрыв связей, образование зазоров в узлах ферм и т.п.

Признаки деформирования зданий

1 -- стадии просадки угловой или концевой части сплошной стены;

2 -- последовательная просадка средней части стены;

3 -- просадка угла и средней части здания;

4 -- просадка колонны арочно-стоечной системы;

5 -- просадка центрального модуля церкви крестово- купольной системы;

6 -- усадка раствора арочной перемычки;

7 -- подвижка пяты подпружной арки;

8 -- подвижка пяты свода междуэтажного перекрытия;

9 -- отслоение и выпучивание лицевой кладки при перегрузке пилона

Пластичная кладка может деформироваться без образования трещин -- с плавным наклоном и искривлением швов или равномерным их раскрытием. Сложные деформации пространственных конструкций сопровождаются иногда раскрытием на фасадах и в интерьере целой системы различно ориентированных трещин, указывающих на стадийность процесса или «соподчиненность» сходящихся в деформационном блоке элементов.

1) т.е. обладающего разными свойствами по разным осям.

5.1.3. Причины и виды разрушения распорных систем

Состояние арок и сводов, служащих элементами перекрытий, находится в прямой зависимости от состояния вертикальных несущих конструкций -- стен, колонн, пилонов, а следовательно, от состояния их строительного материала, фундаментов и основания. С другой стороны, как распорные системы своды зависят от состояния конструкций, удерживающих распор, т.е. от связевого каркаса, контрфорсов, смежных сводов и т.п. Арки, своды и их системы деформируются и разрушаются, если не обеспечиваются неподвижность опор (опорного контура), т.е. внешний по отношению к распорной конструкции фактор устойчивости, нормальное обжатие арочной формы, т.е. внутренний фактор устойчивости кладочной распорной конструкции.

Причинами горизонтальной подвижки опор могут быть:

недостаточная начальная жесткость стен, диафрагм и других вертикальных конструкций, несущих своды, их податливость действию распора;

снижение общей начальной жесткости при расчленении единой объемной конструкции на отдельные деформационные блоки;

подвижка (с просадкой) вертикальных конструкций при смещении, наклоне или местном разрушении фундаментов;

разрушение или перестройка конструкции смежного объема, ранее уравновешивающей распор рассматриваемого свода, например замена арочного перекрытия плоским;

разрушение или подвижка контрфорсов;

частичное или полное разрушение связевого каркаса, разрыв воздушных связей, выход из строя их анкерных частей

Схемы деформаций сводов (вверху) и распорных систем (внизу)

Вертикальное перемещение пят свода возможно при просадке или разрушении опор (центрального столба, стены), а также при растеске большого дополнительного проема под пятой свода, например уничтожении простенка между распалубками. Следует отметить гораздо меньшую чувствительность сводов к осадкам опор, чем к их горизонтальным подвижкам.

Внутренними причинами разрушения арок и сводов при достаточной стабильности опор часто служат:

нерациональная форма применительно к данной нагрузке;

недостаточная толщина, излишняя зыбкость свода;

превышение допустимой нагрузки на свод или неправильное размещение нагрузки;

разрушение или старение строительного материала -- кирпича, раствора, металла связей.

Разрушению сводов могут способствовать различные неоправданные ремонтно-реставрационные мероприятия, например покрытие сводов непроницаемой цементной, бетонной или иной «защитной» коркой.

Систематизация признаков деформаций сводов

Характерные для любого типа сводов деформационные трещины или раскрытия швов располагаются в зонах с максимальными растягивающими или сдвигающими напряжениями. Первый тип трещин ориентируется в плане приблизительно перпендикулярно направлению деформации, второй-- вдоль контактов между различными деформационными блоками, по технологическим «швам» или слабым перевязкам. Применительно к основным типам сводов и основным видам деформаций можно выделить следующие характерные расположения трещин:

в цилиндрических сводах и их системах -- на нижней поверхности -- вдоль шелыги и по линии контакта с распалубками; в системах -- по линии «смыкания» в угловых частях и вокруг центральных столбов при их просадках;

в крестовых сводах и системах -- вдоль оси распалубок, вокруг замковой части при ее провисании; перпендикулярно к диагональному ребру (вблизи опор), поперек подпружных арок, вдоль ребра (иногда с последующим выпадением части распалубки) при просадке и сдвиге опор;

в сомкнутых сводах-- вдоль образующих на внешней поверхности лотков на уровне 1/2--1/3 (высоты арки) от пяты свода; по линии смыкания в угловых слабообжатых частях; по контактам с распалубками как в цилиндрических и лотковых сводах;

в крещатых сводах -- на внешней поверхности центральных арок на расстоянии 1/2--1/3 от уровня опоры при отсутствии воздушных связей; по линии сопряжения между центральными арками и угловыми сомкнутыми частями свода;

в куполах -- меридиональные трещины на внешней и внутренней поверхностях в интервале 2/5--4/5 от уровня пяты -- при нерациональной форме и отсутствии боковой пригрузки при центральной перегрузке свода; в уровне пят при «расположении» опорного кольца или коррозии шплинтов кольцевой опорной связи.

Хрупкие деформации, свойственные сухой кладке на обычных известковых и сложных растворах марки 10--25, сопровождаются образованием хорошо выраженных «классических» трещин или раскрытых швов. Упругие деформации жесткой кладки на высокопрочных растворах могут не проявляться длительное время, но с наступлением усталости перенапряженного материала возрастать скачкообразно. Влажная, пластичная кладка может деформироваться без образования трещин с постепенным раскрытием швов в растянутой зоне. В этом случае расклинка отдельных камней или блоков, обеспечивающая существование свода, будет иметь место и при очень сильном выполаживании, вплоть до предельного сокращения высоты сжатой зоны свода и обрушения.

Методы инженерного укрепления памятников архитектуры

Общие принципы укрепления памятников

Выбор элемента укрепления.

Конструктивное укрепление при реставрации подразумевает восстановление, поддержание или усиление функций конструктивных элементов древних зданий. Если сооружение к моменту реставрации утратило некоторые свои элементы, то они могут быть либо реконструированы и включены в работу в целях восстановления начальной или близкой к ней рабочей схемы, либо заменены современными конструкциями, как инертными к сложившейся системе, так и активно на нее влияющими.

Некоторые архитектурные памятники представляют лишь фрагменты сооружений, случайные и разрозненные, с измененными функциями. Другие, так называемые дискретные системы, внешне сохраняя начальную архитектурную форму, могут полностью потерять свое конструктивное содержание. Поэтому их укреплению должно предшествовать выявление сложившихся конструктивных схем и современных функций каждого элемента. Эффективность укрепления во многом зависит от того, насколько выбранные для укрепления элементы действительно являются на данной стадии главными, стержневыми, несущими.

Приведем пример подобного выбора. Перекрытие одного из помещений Московской консерватории представляет систему двух центральных перекрестных арок, на которые опираются угловые распалубки. Одна из арок выполнена в регулярной радиальной кладке, другая образуется из двух полуарок, упирающихся в центральный участок первой арки, т.е. имеет горизонтальную вставку длиной 1/3 пролета. Вторая, составная арка с нерациональной формой оси способна нести приблизительно в 3,5 раза меньшую нагрузку, чем первая и по своей функции -- вспомогательная. К настоящему времени главная арка деформировалась настолько, что ее несущая способность снизилась в 7,5--8 раз, и большая часть нагрузки перераспределилась на вспомогательную арку, ставшую основным дублирующим элементом. Поскольку восстановление функций главной арки оказалось невыполнимым, общее укрепление конструкции заключалось в снятии избыточной нагрузки именно с дублирующего элемента, т.е. со вспомогательной арки

Выбор элементов укрепления

1 -- температурно-деформационное расчленение объема с образованием дискретной системы;

2 -- система перекрестных арок, усиление второстепенного элемента при критической деформации главной арки;

3 -- железобетонная дублирующая арка;

4 -- анкерные стержни;

5 -- связи

Особой аргументации требуют проекты укрепления дискретных систем. Например, попытка восстановления функций связевого каркаса, расчлененного трещинами, но стабильно существующего в виде независимых блоков объема крестово-купольной системы, может оказаться совершенно лишним мероприятием, не способным каким-либо образом «улучшить» сложившуюся статику сооружения. Те же воздушные и стеновые связи, установленные в потенциально неустойчивой дискретной системе, будут полезным профилактическим элементом, препятствующим дальнейшему «расползанию» деформационных блоков.

Реконструкция утраченных конструкций с использованием современных материалов, например восстановление части обрушенных кирпичных столбов, несущих своды или стены из железобетона, может активно воздействовать на сложившееся равновесие системы, вызвав перераспределение сил и их концентрацию на границе нового, более жесткого элемента.

Скрытые и открытые конструкции укрепления. Дополнительно вводимые конструкции могут быть скрытыми внутри укрепляемого элемента или объема или открытыми. Возможны также комбинации скрытых и открытых конструкций или их сочетания с технологическими видами укрепления -- цементацией, силикатизацией и др. Выбор способа укрепления диктуется рядом конкретных условий, в первую очередь техническим состоянием памятника и требованиями эстетики. Любой способ, приемлемый сам по себе и даже успешно примененный на нескольких памятниках, может быть скомпрометирован при его механическом перенесении на объект с иным диагнозом деформации или при низком качестве работ.

Примером неудачного использования открытых конструкций может служить выполненное в 1980 г. противоаварийное укрепление церкви Андрея Стратилата в Новгородском кремле. Вытянутый низкий объем одноглавой церкви XVII в. своей западной частью опирается на остатки стен лестничной башни Борисоглебского собора XII в., раскрытых как археологический объект. Вследствие неоднородности основания и повышения уровня грунтовых вод здание опасно деформировалось с образованием многочисленных трещин, воздушные связи вышли из работы. Конструкция укрепления состоит из открытого наружного бандажа и соединяющих его четырех воздушных связей. Бандаж, выполненный из металлических прокатных балок, висит на наружных концах связей, две из которых заделаны к тому же в трещины. Конструкция не препятствует какой бы то ни было деформации объема, кроме того, крайне неэстетична.

Скрытые конструкции укрепления, обычно предпочитаемые реставраторами, могут иногда оказаться менее удачными, чем открытые, или даже непригодными, например, из-за несовместимости свойств древних и новых материалов, особой сложности и неоправданно высокой стоимости работ. Так, часто наблюдается разрушение белокаменной кладки коррозией скрытых металлических балок и связей или повреждение фресок при бетонировании внутристенных каналов и инъецировании пустот.

Как ни парадоксально, но иногда от скрытых конструкций отказываются именно по эстетическим мотивам. Подчас так происходит при попытках укрепления различными скрытыми каркасами и сердечниками наклоненных стен, столбов и башен, арочных «консолей» и т.п. Такие элементы сооружения с явно незамкнутой рабочей схемой, требующие логического, открытого подтверждения устойчивости, будучи укреплены неявно, останутся зрительно неустойчивыми и как бы аварийными

Части зданий и сооружений, требующие "открытого " усиления

1 -- деформированная подпорная стена;

2 -- нависающий блок циклопической кладки;

3 -- тонкая стена с обрушенными перекрытиями;

4 -- консольный фрагмент арки или свода;

5 -- неустойчивая опора арочной системы;

6 -- накренившийся пилон или стена

Усиление фундаментов и оснований

Подводка фундаментов -- один из наиболее известных и достаточно часто применяемых способов укрепления зданий, заключающийся в увеличении площади подошвы и заглублении фундамента методом частичной или полной замены старой фундаментной кладки. Подводка ленточных фундаментов выполняется участками («захватками»), длина которых зависит от прочности вышележащей кладки (стен, цоколя, фундаментов), наличия в ней проемов, трещин, а также от глубины заложения фундаментов. Сравнительно короткие захватки 1,5-- 2 м под глухими стенами, допускающими перенос давления, выполняются обычно без крепления. При подводке фундаментов в сложных условиях (большая глубина, осыпающаяся кладка, сосредоточенная нагрузка) применяется временное крепление захватки в виде стоек, поперечных или продольных рам, распределительных балок и т.д.

Подводка фундаментов

1 -- углубление и расширение фундамента с заменой рыхлой кладки железобетоном;

2 -- план захваток

(в кружках -- номера захваток);

3 -- подводка железобетонного ленточного фундамента под существующий при глубоком заложении;

4 -- крепление стенок траншей;

5 -- металлические рамы временного крепления;

6 -- подводка фундамента под пилон;

7 -- металлическая обойма;

8 -- подкосы

Конструкция временного крепления должна учитывать возможность размещения армокаркасов и опалубки, а также перестановки или демонтажа.

Подводимая часть фундамента выполняется обычно из монолитного бетона или железобетона, иногда применяется бутовая кладка. Порядок раскрытия и бетонирования захваток назначается из условия, что каждая раскрываемая и бетонируемая захватка -- под защитой смежного участка.

Деревянные стойки, балки и торцевая опалубка извлекаются по окончании бетонирования захватки. Металлическое крепление иногда замоноличивается в бетоне. В этом случае снижается опасность деформаций, вызываемых, например, усадкой бетона или местными неучтенными нагрузками. Усадочные зазоры чеканятся и инъецируются.

Значительную сложность представляет подводка фундаментов под отдельно стоящие столбы, пилоны, нагруженные простенки и т.п. Порядок раскрытия захваток в этом случае должен исключить длительное внецентренное обжатие кладки и основания. Усиливаемые столбы и простенки должны быть максимально разгружены (см. рис. 74).

Подводкой фундаментов укреплены Успенский собор в Рязани, собор Рождества Богородицы и крепостные стены Пафнутьев-Боровского монастыря, многие памятники Кирилло-Белозерского монастыря и др.

Условиями для оптимального применения данного- способа считают:

значительную протяженность укрепляемых конструкций;

ленточный характер фундамента и отсутствие сосредоточенной нагрузки на него;

монолитность укрепляемых стен и фундаментов, регулярную кладку (из кирпича или белого камня), отсутствие или небольшое количество низкорасположенных проемов и трещин;

небольшое заглубление подводимых фундаментов (до 2--2,5 м);

низкое стояние грунтовых вод;

достаточную несущую способность грунтов основания -- не меньше 0,15 МПа.

Важным условием становится и тщательность производства работ, так как даже при незначительном отступлении от технологии могут возобновиться старые деформационные процессы или даже возникнуть новые просадки с трещинообразованием. Необходимость подводки фундаментов под столбы и пилоны должна быть вообще особо аргументирована.

Метод становится нерационален или невозможен:

при глубоком заложении фундаментов, требующем большого объема земляных работ и особого крепления котлована; при малой высоте или большой ширине подводимого фундамента;

при валунной, рыхлой, осыпающейся кладке укрепляемых фундаментов и стен; в аварийных ситуациях, под наклоненными или неустойчивыми стенами и столбами, не имеющими крепления; при высоком уровне грунтовых вод.

Усиление фундаментов с помощью обойм. В тех случаях, когда подводка фундаментов затруднена или существует опасность новых просадочных деформаций (при малоквалифицированном неконтролируемом производстве), существующие фундаменты могут быть усилены и расширены с помощью боковых прикладок в виде отдельных бетонных блоков, лент или обойм. Дополнительные прикладки или обоймы рассчитываются либо на избыточную часть нагрузки (по несущей способности основания), либо на восприятие полной нагрузки, что подразумевает соответствующий контакт между фундаментной кладкой и бетонной конструкцией.

Способ соединения старой и новой частей фундамента зависит от величины передаваемой нагрузки, площади контакта, характера старой кладки и др. Если, к примеру, функции обойм планируются умеренными (до 30% общего давления), а древний фундамент сложен из валунов и бута, то для надежной передачи нагрузки может быть достаточно простого сцеплениия бетона с неровностями кладки. При плотных белокаменных или кирпичных фундаментах используются шпоночные соединения с обоймой в виде бетонного «зуба», поперечных металлических балок или арматурных стержней. Размер «зуба» рассчитывается на отпор грунта по скалыванию менее прочного из соединяемых материалов, а длина и число металлических шпонок -- по смятию материала фундамента. Помимо сдвигающего усилия шпоночные соединения испытывают и растягивающие усилия, которые тем выше, чем больше площадь опирания обойм и чем меньше их высота. (Несложный расчет показывает, что только для удержания от поворота обоймы, показанной на рис. 75, при планируемом отпоре грунта 0,1 МПа требуется погасить от 50 до 100 кН растягивающих усилий на каждом метре.) Сложность сквозного поперечного армирования фундаментов, анкеровки арматуры и защиты ее от коррозии не позволяет считать широкие обоймы рациональными и длительно надежными конструкциями.

Усиление фундаментов с помощью обойм

1--4 -- двухветвевые железобетонные обоймы:

1 -- сцепление обоймы за счет неровностей кладки;

2 -- сцепление с помощью "зуба ";

3 -- нерациональная широкая обойма со сквозным стержневым креплением;

4 -- план обоймы с поперечными диафрагмами;

5 -- корытная обойма, бетонируемая в две очереди;

6-- "висячая" обойма выше уровня грунтовых вод;

7 -- фрагмент перекрестной ленточной обоймы под столбом;

8 -- обойма-ростверк (разрез и план);

9 -- обойма с рандбалками-распорками (план и разрез с эпюрой отпора грунта);

10--обойма-ящик

Наилучшие результаты дают узкие двухветвевые обоймы или одинарные обоймы, замкнутые по ограниченному контуру и не испытывающие крутящего момента.

При необходимости значительно увеличить площадь опирания фундамента могут быть рекомендованы перекрестные обоймы, в которых отпор грунта нагружает и «свободные», не связанные с фундаментами элементы.

Системы перекрестных обойм разработаны для укрепления ряда памятников Новгорода (Знаменского собора 1682 г., Спасской башни кремля 1485 г.). В Москве данный способ успешно применен для усиления надвратной церкви Даниловского монастыря (реставрация 1983---1985 гг.). В свое время здание, имевшее неравномерную просадочную деформацию объема, было разобрано до половины высоты. Масса надстраиваемой части-- около 350 т требовала увеличить площадь фундаментов приблизительно на 30%, что было достигнуто устройством двух незамкнутых одинарных железобетонных обойм, врезанных в фундаменты центральных пилонов и соединенных тремя мощными связевыми балками. Балки рассчитаны на реактивное давление (отпор) грунта, создаваемое концевыми нагрузками.

Следует остановиться на особой разновидности ленточных и замкнутых фундаментных обойм, разгружающих слабые, перегруженные участки основания и передающих избыточное давление на устойчивые зоны. Такие обоймы, выполняющие функции рандбалок, использованы для разгрузки основания под центральными столбами Благовещенского собора в Нижнем Новгороде. В сочетании с системой подземных контрфорсов обойма «подхват» применена для разгрузки фундамента Новобратского корпуса в Соловецком монастыре.

В некоторых случаях конструкция обойм позволяет использовать их в качестве ростверков свайных фундаментов. Сваи могут быть установлены либо заранее, до бетонирования ростверка, либо во вторую очередь, когда обойма уже существует и возникает необходимость ее усиления (см. свайные фундаменты).

Замкнутые железобетонные обоймы могут быть использованы и как сугубо стяжные конструкции в качестве: профилактических бандажей, препятствующих независимому перемещению деформационных блоков разорванных трещинами зданий; подземных антисейсмических поясов; защитных «рубашек», «ящиков» и т.д. для слабых, деструктированных фундаментов и археологической кладки, такие «рубашки» иногда сочетаются с инъецированием разрушенной кладки или устройством распределительных бетонных плит или стяжки по верхнему обрезу (северная галерея Троицкого собора Астраханского кремля, павильон «Грот» усадьбы Кусково).

При всем различии конструкций и назначении обойм они обладают одним общим свойством -- не нарушают сложившегося контакта между подошвой фундамента и основанием.

Свайные и комбинированные способы усиления фундаментов. Интересным видом укрепления кладки стен и фундаментов, а также грунта основания можно считать их армирование так называемыми «корневидными», или буроинъекционными сваями. Буроинъекционные сваи, разработанные более 30 лет назад итальянской фирмой «Фондедиле», успешно применяются для укрепления объемов архитектурных памятников и современных зданий при их деформациях, просадках, увеличении нагрузок. Корневидными сваями укрепляют также подпорные стены, набережные, оползни, откосы и стенки глубоких выработок.

Буроинъекционная свая представляет собой шпур диаметром 75--150 мм, армированный 1--3 стержнями и заполненный под давлением 2--4 атм. цементно-песчаным раствором. Бурение производится электрическими станками вращательного бурения на глубину 10--30 м и более под любым углом к вертикали. Бурение каменных стен и фундаментов производится шарошечным долотом, меры предосторожности при бурении рыхлых, неустойчивых кладок приблизительно те же, что и при сверлении шпуров анкерного крепления; при проходке грунтов основания используются обсадные трубы.

Избыточное давление, создаваемое при опрессовке сваи, позволяет заполнить раствором не только ствол сваи, но и пересекаемые им пустоты, раковины, трещины и пустые швы. Таким образом, заполнение сваи, пробуренной через кладку цоколя или фундамента, способствует замоноличиванию и укреплению этой кладки.

В зависимости от габаритов укрепляемого сооружения, вида нагрузки и деформации буроинъекционные сваи могут быть применены как жесткие сжатые, сжато-изгибаемые и растянутые стержни. Возможные варианты расположения свай показаны на рис.

Буроинъекционные сваи

1,2 -- укрепление подпорных стен;

3 -- предварительное крепление стенок глубоких выработок;

4 -- комплексное укрепление кладки пилона, фундамента и основания;

5 -- предложения по креплению "висячих" контрфорсов и насыпного откоса у Трапезной палаты Андроникова монастыря

Буроинъекционные сваи хорошо сочетаются с косвенным армированием кладки, железобетонными обоймами и другими скрытыми и открытыми конструкциями укрепления. Одно из основных достоинств буроинъекционных свай -- их «лояльность» к сложившейся статике (система «памятник--среда»).

Несущая способность буроинъекци-онной сваи зависит от ее рабочей схемы (свая--стойка или висячая свая), геологии участка, качества заполнения и опрессовки. Например, интервал «возможностей» сваи диаметром 152 мм и длиной около 10 м может составлять от 50 до 250 кН. Предварительно рассчитанная несущая способность сваи проверяется контрольными испытаниями.

Применение буроинъекционных свай нерационально в следующих случаях: при укреплении валунных фундаментов, так как бурение затруднено, а «заделка» сваи в теле фундамента (как и его инъецирование) осуществляется некачественно из-за несоответствия физико-механических свойств нагнетаемого раствора и непористого материала валунов; при укреплении археологических руин или других конструкций из слабого, осыпающегося материала, не выдерживающего динамику бурения; при неблагоприятной геологии участка и необходимости чрезвычайно глубокого бурения.

Ростверки с применением буронабивных свай. Буронабивные сваи могут применяться для создания фундаментных конструкций, частично дублирующих старые фундаменты или полностью их разгружающих. Конструкция сваи образуется при заполнении бетоном специально пробуренной в грунте (и армированной сварным каркасом) скважины диаметром более 200 мм. В отличие от корневидных свай буронабивные проходят только через грунт и только снаружи здания на расстоянии не менее 1--1,5 м от линии укрепляемых стен. Передача нагрузки на вынесенный свайный фундамент осуществляется с помощью поперечных балочных конструкций, которые тем сложнее и протяженней, чем шире расставлены оси свай. Способ применим, таким образом, к сооружениям относительно небольшой ширины (до 6 м): крепостным стенам, пилонам, столбам, контрфорсам, малым башням и колокольням, узким зданиям

Схема укрепления прясла ростверками на буронабивных сваях

1 -- крепостная стена;

2 -- насыпной вал;

3 -- ростверк;

4 -- рандбалка;

5 -- буронабивная свая диаметром 400 мм

Ограничивающим фактором служит и определенная сложность при проходке ригеля (под фундаментом и сквозь фундамент) и размещении буровых машин. Предпосылкой к применению способа может стать очень большая линейная (или сосредоточенная) нагрузка на фундамент в сочетании с плохой геологией участка.

В проекте укрепления аварийного участка прясла Новгородского кремля (между Спасской и Княжей башнями) использованы буронабивные сваи-стойки диаметром 400 мм, длиной 8 м, заложение по обе стороны стены группами по четыре сваи и объединенные мощным (2x1,5 м) железобетонным ригелем в уровне существующих фундаментов. Длина балок между внутренними рядами свай около 6,5 м, шаг 7--7,5 м, полная нагрузка на сваю около 400 кН. Необходимость укрепления прясла была вызвана его нарастающими просадками и креном вследствие изменения гидрорежима участка и разрушения (гниения) древнего бревенчатого ядра кремлевского вала. При выборе варианта проекта было учтено то обстоятельство, что устройство «плавающих» ленточных фундаментов или висячих свай не гарантирует от новых просадок при разрушении органики основания; инъекционные же способы укрепления были отвергнуты как исключающие возможность археологических изысканий в этой части кремля.

Вдавливаемые сваи, как и буронабивные, используются при необходимости восприятия очень больших нагрузок укрепляемого сооружения при неблагоприятной геологии участка. Метод задав-ливания свай состоит в погружении свай под фундаменты или стены здания с помощью домкрата, упирающегося через распределительную траверсу в кладку фундамента. Вдавливающей сваю нагрузкой служит, таким образом, масса здания. Максимальное усилие, развиваемое домкратом, должно соответствовать состоянию равновесия между несущей способностью сваи (по материалу сваи и грунту) и приходящейся на нее нагрузкой.

Вдавливаемые сваи представляют собой металлические или железобетонные секционные конструкции, наращиваемые по мере погружения секций. Домкрат крепится (подвешивается) к траверсе (наддомкратной балке), которая заделывается концами в кладку смежных участков

Вдавливаемые сваи

1 -- трубчатые звенья сваи;

2 -- гидравлический домкрат;

3 -- поддомкратная балка;

4 -- фундамент;

5 -- трещины деформации простенка при отказе сваи или изгибе балки

Размеры траверсы, конструкция и шаг свай зависят от мощности используемого домкрата и состояния нагружающей конструкции. Так, при укреплении Потешного и Большого Кремлевского дворцов в Москве по проекту Э.М. Генделя использовался 350-тонный домкрат для задавливания металлических трубчатых свай диаметром 351 мм с шагом 2--3 м).

В отличие от описанных выше способов укрепления фундаментов, являющихся медленными или профилактическими в отношении передачи нагрузок, задавливание свай представляет активный процесс передачи нагрузки, влияющий на статику здания и состояние его конструкций уже при производстве работ. Именно вследствие своей активности метод задавливания свай требует особо строгого соответствия между расчетными жесткостями и нагрузками, а также постоянного контроля при производстве. Например, при недостаточной высоте наддомкратной балки или при «отказе» сваи работающий домкрат способен приподнять нагружающий сваю участок здания с образованием поперечных трещин. Известными недостатками способа являются также большой расход металла и необходимость устройства глубокой траншеи вдоль фундамента (не менее 2,5 м от поддомкратной балки при высоте секции сваи 1 м).

Усиление столбов, стен и простенков

Укрепление при перегрузках.

Необходимость усиления каменных стен и столбов возникает при механических повреждениях кладки, растесках проемов, ликвидации промежуточных перекрытий, чрезмерных нагрузках, наличии трещин или других признаков деформации и т.д. Следствием каждой из причин становится перегрузка рабочих сечений кладки, либо внецентренно обжатых, либо многократно сокративших несущую способность, например при расслоении конструкции на отдельные гибкие элементы. Поэтому большинство видов укрепления стен и столбов заключается в обеспечении местной устойчивости обжатой кладки.

Традиционным способом укрепления служит устройство внешнего «корсета» или обойм, препятствующих горизонтальному «расползанию» кладки. Обоймы столбов и узких простенков представляют собой систему нескольких угловых профилей, объединенных горизонтальными полосовыми связями, шаг которых зависит от гибкости стоек и величины сжимающего давления. (Следует заметить, что «горизонтальная составляющая», принимаемая в расчетах равной 10--15% вертикальной нагрузки, увеличивается по мере расслоения и деструкции кладки.) Металлическими обоймами укреплено множество столбов и простенков древних зданий, в том числе центральный столб Грановитой палаты Московского Кремля и столбы в помещениях так называемой Собственной половины Большого Кремлевского дворца. Для усиления широких простенков используются иногда двухсторонние корсеты в виде плоских сварных решеток, соединенных арматурными стержнями через просверленные в кладке отверстия. Подобным образом закреплены слабые и перегруженные стены старого здания МХАТа (реставрация 1980-х г.). Металлические корсеты маскируются обычно в специально пробиваемых штрабах или внутри толстого штукатурного слоя, что создает значительные трудности при укреплении столбов и пилонов сложного профиля, несущих лепной или живописный декор.

В практике реставрации нередки случаи замены старого строительного материала более прочным современным. Это может быть простая внешняя с перевязкой и сквозная перекладка с армированием опасной зоны. Например, аварийный просевший столб крыльца церкви Троицы в Никитниках (Москва) был разобран и переложен вместе с фундаментом (с временным сложным «вывешиванием» вышеуказанных конструкций). Перегруженный (безуспешно «усиляемый» еще в XVIII в.) раздавленный простенок алтарной преграды церкви Спаса за Золотой решеткой в Московском Кремле был переложен (также с временной разгрузкой) при реставрации 1979 г. Иногда старая кладка сохраняется фрагментарно или только в качестве облицовочного слоя, скрывающего внедренный в тело конструкции металлический или железобетонный несущий элемент

Усиление каменных конструкций при перегрузках

1 -- заделка металлического каркаса в ветхую кладку;

2 -- корсет из перекрестных металлических полос;

3 -- обойма из угловых профилей;

4 -- устройство современного каркаса с полной разборкой и перекладкой исторической конструкции

Заделка современного несущего каркаса в ветхую или перегруженную кладку -- довольно сложная задача, связанная с необходимостью глубокого штрабления, введения разгрузочного элемента, временного крепления и т.д. Кроме того, должна быть обеспечена полная передача нагрузки на новую конструкцию, так как включение в совместную пропорциональную работу разнородных материалов практически неосуществимо из-за различных модулей деформации. Именно по этой причине при реставрации западной стены надвратной церкви Перервинского монастыря были демонтированы чугунные стойки XIX в., которые первоначально предполагалось сохранить внутри восстанавливаемых кирпичных пилонов. Металлические стойки достаточно часто применяются также для усиления или разгрузки деревянных здании каркасного типа и срубов.

Укрепление при структурном разрушении кладки. Под структурным разрушением здесь подразумевается, во-первых, деструкция строительного материала кладочных элементов, а во-вторых, нарушение монолитности кладочной структуры целых конструкций. Структурному разрушению подвергается перегруженная, а также мокрая кладка (при протечках кровель и коммуникаций, капиллярном подсосе влаги из грунта, коррозии закладного металла, изменении температурно-влажностного режима).

Характерные признаки структурного разрушения при перегрузках-- образование системы Х-образных трещин, выкалывание треугольных призм и истощение обжатых сечений, иногда-- вертикально ориентированных трещин, расслоение или волнообразное искривление поверхностей. Морозное и солевое разрушение при замачивании может быть выражено в размягчении и высыпании раствора из швов в поверхностном слое, отслоении и падении целых пластов кладки, образовании рыхлого, осыпающегося щебеночного конгломерата.

Перечисленные виды разрушений создают необходимость разработки так называемых технологических или комбинированных способов укрепления, например армирования и инъекции кладки

Инъекционное и комбинированное укрепление кладки

1,2 -- металлические стержни "косвенного" армирования;

2 -- инъецируемые пустоты и шпуры;

3 -- штукатурное заполнение зон утрат;

4 -- анкерное крепление проема в бутовой кладке;

5 -- сохранившаяся кладка крепостной стены;

6-- современная докладка;

7 -- стержни поярусного анкерного крепления;

8 -- стержни местного армирования и инъецирования;

9 -- зоны утрат;

10--трещины расслоения свода;

11 -- ось устойчивой сжатой зоны;

12 -- местные арочные образования;

13 -- металлические костыли поверхностного крепления;

14-- штукатурный намет;

15 -- радиальное армирование свода;

16-- инъецирование пустот

Расслоившиеся кирпичные конструкции могут быть укреплены системой анкерных стержней, установленных в просверленные отверстия нормально или под некоторым углом к плоскости расслоения. На первой стадии стержни работают как противоаварийные элементы, препятствующие дальнейшему расслоению и уменьшающие свободную длину каждого слоя как самостоятельной сжимаемой конструкции. На второй стадии при инъецировании зазоров между слоями анкерные стержни воспринимают избыточное давление раствора, создаваемое насосом и способное вызвать обрушение наружного слоя. Далее, после твердения раствора и склеивания слоев стержни служат элементами армирования.

...