Досвід відбудови зруйнованих об’єктів: способи підсилення основ і фундаментів

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 72.025.4

ДОСВІД ВІДБУДОВИ ЗРУЙНОВАНИХ ОБ'ЄКТІВ: СПОСОБИ ПІДСИЛЕННЯ ОСНОВ І ФУНДАМЕНТІВ

Орленко М.І., кандидат технічних наук,

Зміст статті

Запити сьогодення призвели до розширення традиційного переліку ремонтно-реставраційних робіт, до якого додалися ще роботи з відтворення в первісному вигляді частково чи повністю зруйнованих об'єктів. Варто зазначити, що накопичений корпорацією "Укрреставрація" досвід відтворення таких об'єктів може поширюватися не лише на пам'ятки архітектури, враховуючи універсальність застосованих методик.

Необхідність розширення переліку реставраційних робіт практикою відтворення визначалася, в тому числі, і втратою історичних домінант. У наукових реставраційних джерелах висвітлюються характеристики окремого об'єкта, ансамблю і комплексу, технології реставрації, однак не завжди наводиться інформація про роль містобудівного розташування об'єктів у сприйнятті їх архітектури. Втрата культових домінант Києва в часи панування войовничого атеїзму призвела до спотворення і зубожіння історичного обличчя міста.

Найбільшою виразністю в усі часи відзначалися церкви і собори, які зводили на найбільш виразних формах рельєфу, тим самим підсилюючи естетичні властивості об'єкта архітектури. З давніх-давен у країнах світу існувала традиція розташовувати на найвищому місці найбільш значущі споруди. Так, давньогрецькі міста в плані поділялися на частини: нижнє місто, середнє місто, верхнє місто й акрополь-пагорб з ансамблем священних храмових споруд. Розташування храмів на акрополі теж було не випадковим: наприклад, храми Афінського акрополя збудовані так, аби під час підйому на гору перед відвідувачами поступово розкривалися різні перспективи і найбільш величним виглядав Парфенон - храм Афіни Парфенос (рис. 1).

У часи середньовіччя гори і пагорби увінчали монастирські комплекси і замки феодалів. Класичним прикладом злиття активного рельєфу й архітектури є абатство Мон-сен-Мішель у Франції (рис. 2).

З давньослов'янських часів до пагорбів ставились як до найбільш вдалих в оборонному плані місць для зведення стародавніх городищ. Ще в дохристиянські часи слов'яни селилися на високих берегах річок, що водночас вирішувало оборонну, транспортну і функцію життєзабезпечення.

Рис. 1. Сучасний вигляд Афінського акрополя

Рис. 2. Абатство Мон-сен-Мішель у Франції

З прийняттям християнства найбільш виразні точки рельєфу зайняли найголовніші храми, наприклад Десятинна церква, Михайлівський Золотоверхий собор, Успенський собор Києво-Печерської лаври у Києві, Борисоглібський собор, Спаський собор, собор Єлецького монастиря у Чернігові (рис. 3). Як видно зі згаданих прикладів, згодом навколо головних храмів з'являлися інші, виникали нові монастирські ансамблі (Троїцький монастир у Чернігові) та церкви (Трьохсвятительська церква, Андріївська церква, церкви на Ближніх і Дальніх печерах, Військово-Микільський собор у Києві, церкви св. Катерини й Іллінська в Чернігові). Дуже часто головні собори були окрасою давньоруського дитинця (як приклад можна навести чернігівський дитинець).

Рис. 3. Загальний вигляд ансамблю Києво-Печерської лаври з Дніпра

Утім, з часом в унікальних спорудах, збудованих на просадкових лесоподібних ґрунтах, з'явились ознаки аварійності: замокання і руйнування фундаментів та стін і поява тріщин внаслідок нерівномірної просадки фундаментів (рис. 4, 5). Через наявність аварійного стану фундаментів і змін основ під фундаментами внаслідок зміни рівня ґрунтових вод, зволоження просадкових ґрунтів, зміни структури ґрунту порушувалася статика споруди.

Рис. 4. Аварійний стан церкви Предтечі, м. Керч (ХІІІ ст.). Фото до реставрації 1968р. Фото до реставрації 1983 р.

Рис. 5. Аварійний стан церков Іоанна та Миколи Притиски, м. Київ (XVII ст.)

Зволоження фундаментів пам'яток архітектури відбувалося через замокання ґрунтів основи чи підняття рівня ґрунтових вод, а це призводило до руйнування вапнякового розчину фундаментного мурування і вивітрювання розчину, що вкупі зумовлювало аварійний стан фундаментів. Аварійний стан фундаментів у свою чергу призводив до появи тріщин у наземних конструкціях будівель.

Ще одна проблема аварійного стану фундаментів пов'язана з тим, що на початку ХХ ст. відомий архітектор В. Городецький пішов на сміливий експеримент розташування власного прибуткового будинку частково на стрічкових, частково на пальових фундаментах на пагорбі з просадковими ґрунтами, що зрештою призвело до розколу будівлі на дві частини і появи тріщин у надземних конструкціях, як це видно на схемі (рис. 6).

Перед початком проведення реставраційних робіт реставратори ретельно вивчають гідрогеологічні умови на ділянці, а всім етапам ремонтно-реставраційних робіт передує етап робіт, пов'язаних з підсиленням основ і фундаментів.

Проблеми як реставрації існуючих пам'яток архітектури, так і відтворення частково чи повністю зруйнованих об'єктів повинні вирішуватися насамперед з проведенням робіт з підсилення основ та фундаментів із ретельним вивченням гідрогеологічних умов майданчика будівництва та підбором найбільш оптимального рішення підсилення основ і фундаментів.

Рис. 6. Аварійний стан Будинку з химерами через нерівномірну просадку фундаментів

Наприклад, Михайлівський Золотоверхий собор розташований на лесоподібних просадкових супісках, Успенський собор Києво-Печерської лаври, Успенський собор у Каневі - на зволожених просадкових лесових ґрунтах, церква Миколи Притиски в Києві, Спасо-Преображенський собор у Новгород-Сіверському - на насипних супісках і пісках, і найбільш ефективне забезпечення статики будівель на ґрунтах такого типу можливе шляхом застосування пальових фундаментів (довжина паль Михайлівського Золотоверхого собору 12-14 м; довжина паль Успенського собору Києво-Печерської лаври 20 м; довжина паль Спасо-Преображенського собору в Новгород-Сіверському 26,5 м; довжина паль церкви Миколи Притиски в Києві 16 м).

Проблема ліквідації аварійного стану основ і фундаментів і їх підсилення є першочерговою і для пам'яток архітектури, і для будь-яких об'єктів, тому досвід корпорації "Укрреставрація" може бути використаний не лише в реставраційній галузі. Якщо мова йде про історичний об'єкт, який зазнав незначних чи часткових руйнувань, то в такому випадку підбір реставраційних матеріалів і технологій покликаний максимально зберегти первісну конструктивну основу пам'ятки архітектури і включити нові матеріали та конструкції в спільну роботу зі старим муруванням. Прикладом можна назвати відтворення частково зруйнованого Володимирського собору в Херсонесі. В тому випадку, коли була зруйнована більша частина пам'ятки (прикладом можна назвати Успенський собор Києво-Печерської лаври з єдиним вцілілим після вибуху Іоанно-Богословським приділом), однак частина старих конструкцій зберіглася, повинні дотримуватися вимоги їх максимального збереження і включення в спільну роботу з новими конструкціями. Більш широко нові матеріали і конструкції можна застосовувати в тому випадку, коли пам'ятка була зруйнована повністю і від неї лишилися лише фундаменти (як у Михайлівському Золотоверхому соборі із дзвіницею).

Закріплення основи під будівлею методом ін'єктування і штучного закріплення ґрунту має обмеження в застосуванні з точки зору вимог охорони природного середовища й обумовлених властивостей ґрунту основи з високою проникністю й однорідністю.

Варіанти підсилення фундаментів можуть бути також методом розширення підошви, підведенням фундаменту стовпами в колодязях і заміною фундаментів, а також можливе підсилення фундаментів палями (буронабивними, задавлюваними чи буроін'єкційними). Водночас обмежене застосування підведення фундаментів стовпами в колодязях пояснюється нерівномірністю навантажень на різні ділянки основ при посекційному проведенні робіт. Обмежене застосування буронабивних і задавлюваних паль для підсилення фундаментів зумовлюється специфікою об'єкта і вимогами охорони навколишнього середовища й оточуючої забудови.

Натомість найбільш ефективним з цієї точки зору є вперше апробований у 1952 році в Італії Фернандо Ліззі на школі в Неаполі метод підсилення основ і фундаментів за допомогою буроін'єкційних корнеподібних паль, коли під реставрованою будівлею влаштовується система жорстких підпорок, що передають більшу частину навантажень на більш щільні шари ґрунту. Цей метод був апробований на понад 5-ти тисячах історичних об'єктів у країнах світу, в тому числі в Україні, де він довів свою ефективність. аварійний фундамент реставраційна архітектура

Складне завдання вирішувалося під час відбудови частково зруйнованого Успенського собору Києво-Печерської лаври, оскільки, на відміну від Михайлівського Золотоверхого собору, там зберігся Іоанно-Богословський приділ і існувала значна частина старих поховань в основі собору [4]. Від самого початку Успенський собор був збудований на ділянці зі складними гідрогеологічними умовами, тому протягом існування в ньому постійно з'являлися тріщини в надземних конструкціях, про що є свідчення в архівних джерелах. Гідрогеологічні проблеми з роками ускладнилися після появи проблем зі станом зливної каналізації, дренажної системи, мережі опалювальних каналів, допоміжних мереж. Саме неконтрольоване витікання води з водоносних комунікацій спричиняло зволоженість посадочних лесових ґрунтів глибиною 8-12 м під фундаментами Успенського собору і призводило до появи нерівномірних деформацій. Отже, першочерговим завданням було створення бездеформативної основи собору [7, с. 112].

У результаті археологічних досліджень автентичних підмурків Успенського собору було зафіксовано їх відсутність в епіцентрі вибуху і часткове збереження в радіусі до 8-10 м від епіцентру вибуху, збереження фундаментів у радіусі більше ніж 10 м і достатню міцність фундаментів XVII-XVIII ст. [5].

Усю територію Успенського собору умовно розподілили на три зони за їх руйнуванням: зона повної руйнації в межах епіцентру вибуху, зона значної руйнації із залишками древніх стін і зона часткової руйнації з Іоанно-Богословським приділом, який вцілів після вибуху [4].

Завдання забезпечення статичності споруди тут було іншим, ніж у Михайлівському Золотоверхому соборі, від якого збереглися лише фундаменти та й то не в усіх місцях. Зокрема, частина руїн Успенського собору була розколота на окремі елементи і здеформована, водночас ці руїни підлягали збереженню з можливістю їх подальшого дослідження. В дуже аварійному стані перебував Іоанно-Богословський приділ, який єдиний вцілів після вибуху.

НДІБК за допомогою електрохвильового методу дослідив стан первісних підмурків, і завдяки цьому методу було встановлено дефекти мурувань у тілі деяких фундаментів (у фундаментах під північною стіною ХІ ст., північною стіною і північно-західною підбанною колоною, у фундаментах південної стіни). Лише фундаменти в північно-західному куті ризниці були у відносно доброму стані [4].

Тоді ж було зафіксовано глибину залягання фундаментів у різних частинах собору, яка була неоднаковою і коливалася від 2,5 м у фундаментах південної стіни з великих брил пісковику на вапняно-цем'янковому розчині до 3,6 м у фундаментах північної апсиди з каменю та плінфи на вапняному розчині [7, с. 104-112].

Підтриманий деякими науковцями метод влаштування стрічкових фундаментів міг призвести до пошкодження археологічного шару на місці існування собору і водночас не забезпечував надійності конструкцій (навіть полегшених).

Наявність лесових ґрунтів основи і ризик їх зволоження, складність поєднання залишків автентичних конструкцій з новими із забезпеченням статичності споруди, неможливість застосування традиційних методів через ризик зруйнування шару поховань з боків старих фундаментів визначили метод підсилення основ і фундаментів буроін'єкційними палями. Такі складні роботи проводили фахівці корпорації "Укрреставрація", які просвердлили автентичні фундаменти Успенського собору з влаштуванням буроін'єкційних і задавлювальних паль, не порушивши при цьому "культурний шар" зі значною кількістю поховань [4]. Для підсилення фундаментів застосували буроін'єкційні палі двох різновидів: нахилені під кутом 10-15^о та діаметром до 200 мм і вертикальні діаметром до 200 мм. Ростверк влаштовувався поверх паль і залишків фундаментів. Безпосередньо перед проведенням робіт з улаштування паль проводили цементацію тіла фундаменту ін'єктуванням спеціального розчину. Палі проходили через залишки фундаментів і заводилися в глини.

За рахунок пальової системи створювалася бездеформативна основа собору, палі передавали навантаження на нижні надійні шари ґрунту, а їх малий розмір визначався врахуванням динамічних навантажень [4]. Діаметр палі становив 200 мм, довжина 20-23 м, навантаження на неї становило 60 т.

Перед початком робіт автентичні фундаменти і залишки стін піддавалися цементації пробурюванням свердловин до підошви фундаментів із закачуванням спеціального цементного розчину, а зверху паль і залишків автентичних фундаментів влаштовувався монолітний залізобетонний ростверк [4].

Застосування паль малого діаметра через існуючі фундаменти не призводило до появи вібрацій у товщі фундаментів, не порушувало культурний шар і натомість забезпечувало передачу навантаження на нижні шари ґрунту.

На прикладі Михайлівського Золотоверхого собору, від якого збереглися лише старовинні фундаменти у вигляді перехресної стрічкової системи з цегляного та бутового мурування зі стовпами-фундаментами в місцях перетину стрічок, можна проаналізувати, як вирішувалася проблема відтворення повністю зруйнованого об'єкта.

Під час археологічних обстежень складу і стану первісних підмурків та основ Михайлівського Золотоверхого собору було встановлено факт недостатнього зчеплення розчину мурування з плінфою та його відсутність на частині ділянок, руйнування мурування з утворенням тріщин, крихкість цегли [3]. Вибух призвів до зруйнування підмурків обох західних приділів собору. Обстеження стану залишків старих фундаментів проводила лабораторія дослідження конструкцій НДІБК методом відбору автентичних зразків плінфи та мурувального розчину в кількох місцях площі фундаментів. Комплексне дослідження залишків фундаментів довело неможливість відбудови собору на існуючих стрічкових фундаментах через втрату їх несучих здатностей [3].

Втратою несучої здатності відзначались і автентичні фундаменти зруйнованої Михайлівської дзвіниці, оскільки їх фрагменти не були пов'язані між собою, цегла деструктована, цілісність конструкції порушилася [3].

Під час опрацювання варіантів відбудови зруйнованого Михайлівського Золотоверхого собору пропонувалось і обговорювалося декілька варіантів підсилення основ і фундаментів. Серед запропонованих були варіанти закріплення ґрунтів основи цементацією чи силікатизацією, пропонувалося влаштувати пальові фундаменти (забивні, буроін'єкційні, задавлювані палі) з ростверком, пропонувався метод укріплення автентичних фундаментів ін'єктуванням цегляних і полімерних розчинів, влаштування армованих шпонок. Усі пропозиції з ліквідації аварійного стану фундаментів і підсилення основ аналізувалися на засіданні технічних рад інституту "Київпроект" і НДІБК з точки зору їх відповідності технічним вимогам і Умовам збереження та використання існуючих фундаментів.

Усі конструктивні рішення з підсилення фундаментів були розділені на дві групи - фундаменти мілкого закладання і фундаменти глибокого закладання, і для кожного з цих типів пропонувалися свої варіанти рішень. Зокрема, для фундаментів пропонувалося кілька варіантів:

- збереження несучих властивостей існуючих фундаментів у монолітній залізобетонній обоймі при їх спільній роботі і просторовій розрахунковій схемі у вигляді перехресної системи;

- розташування існуючих фундаментів у залізобетонній обоймі з несучими властивостями тільки обойми, з розширенням її підошви на контакті з основою, з вікнами у вертикальних стінках обойми для можливості експонування древніх мурувань;

- поєднання існуючих фундаментів з обоймою зі збірних залізобетонних елементів;

- поєднання існуючих фундаментів з обоймою за умови з'єднання верхнього і нижнього поясів обойми стовпами;

- виконання нової системи фундаментів у вигляді коробчастої системи з нижньою плитою у чарунках між існуючими стінами і верхнім поясом у вигляді перехресної системи;

- виконання фундаментів у вигляді коробчастої системи, але з плитою у двох рівнях;

- виконання фундаментів у вигляді коробчастої системи, але з верхньою плитою зі збірних елементів;

- виконання фундаментів глибокого закладання у вигляді платформи, яка складається з глибоких бурових опор, розташованих у чарунках між існуючими стінами, об'єднаних залізобетонною монолітною плитою-ростверком.

Усі фундаментні системи Михайлівського Золотоверхого собору розраховувались із застосуванням програмного комплексу "Міраж", в основу якого закладений метод кінцевих елементів у перехрещеннях, та програми "Пролог" розробки НДІБК для розрахунків ґрунтових масивів за першою та другою групами граничних станів. За вказаною схемою прораховувались автентичні фундаменти в їх наявному стані, автентичні фундаменти у залізобетонній обоймі, коробчаста система фундаментів з нижньою плитою та з плитами в двох рівнях [3].

У графічному редакторі "Корсар" готувались описані розрахункові моделі, а за допомогою розрахунків ітераційним способом отримані значення реакцій основи застосовувалися з метою отримання нових коефіцієнтів жорсткості основи як величини навантаження на підошву фундаментів з наступним розрахунком основи за деформаціями та міцністю.

Крім навантажень на основу та фундаменти від наземної частини собору, завдавалася власна вага конструкцій підземної частини, а отримані параметри на основі дослідження фізико-механічних та міцнісних характеристик ґрунтів на майданчику будівництва закладалися для розрахунку основи за І та ІІ групами граничних станів.

З метою всебічного комплексного дослідження напружено-деформованого стану кожна із запропонованих як варіанти систем фундаментів вивчалась і розраховувалася з урахуванням варіанту зволоження посадочних ґрунтів з трьох локальних джерел зволоження, і на основі виконаних розрахунків виконувався аналіз напружено-деформованого стану кожного із запропонованих варіантів підсилення автентичних фундаментів (існуючі фундаменти в автентичному вигляді, існуючі фундаменти в обоймі, коробчаста система фундаментів з нижньою плитою, коробчаста система фундаментів з плитами в двох рівнях).

З метою аргументації методів відбудови собору і Михайлівської дзвіниці проводилися аналіз архівних матеріалів, натурні дослідження монастирської території, прилеглих ділянок та гідрогеологічних умов, а також вивчався стан споруд, що збереглися [3].

Методом розрахунку виконувалися дослідження деформацій основи з використанням розрахункової схеми системи фундамент-основа для різних варіантів конструктивних рішень фундаментів.

В остаточному варіанті фундамент Михайлівської дзвіниці було запропоновано у вигляді монолітної залізобетонної плити товщиною 1 м.

У конструкції надземної частини дзвіниці було запропоновано застосувати "тонкі стіни" для появи додаткових приміщень всередині дзвіниці (товщину стін було зменшено до 70-80 см, первісна товщина становила 3-4 м).

Підсилити автентичні фундаменти Михайлівського Золотоверхого собору було вирішено за допомогою паль для передачі навантажень на нижні надійні шари ґрунту від нової залізобетонної плити-ростверку. Остаточний вибір системи фундаментів був зумовлений наявністю в основі собору шару посадочних ґрунтів товщиною 6,27,25 м з високими значеннями відносної просадочності і ступенем неоднорідності, можливістю підтоплення території монастиря і появою просадкових деформацій основ від можливих локальних джерел зволоження, розшаруванням автентичних фундаментів, які вже не були цілісною конструкцією. Отже, основними небезпечними чинниками стали складні інженерно-геологічні умови ділянки будівництва зі слабкими неоднорідними ґрунтами і втрата первісними фундаментами несучих властивостей. Це вимагало додаткового підсилення основ і фундаментів.

Стан фундаментного мурування оцінювався як незадовільний внаслідок відсутності зчеплення між розчином і муруванням, неоднорідного стану цегли, відсутності перев'язок у муруваннях і між перехресними стрічками, наявності порожнин і послаблення галерейними ходами.

Після комплексного обстеження залишків підмурків Михайлівського Золотоверхого собору у липні 1996 року і сформованих на основі обстежень висновків був розпочатий комплекс першочергових заходів зі збереження залишків підмурків собору, зокрема, впродовж 1996-1997 років проводилися консервація стародавніх мурувань і їх укріплення [3].

У результаті проведених розрахункових досліджень доведено, що при влаштуванні фундаментів мілкого закладення на рівні підошви існуючих залишків фундаментів собору вимагалися додаткові конструктивні заходи у надземній частині будівлі для сприйняття нерівномірних деформацій основи.

Запропонований варіант влаштування фундаментів на опорах глибокого закладання в цілому відповідав умовам збереження, забезпечував надійність фундаментів собору, не потребував додаткових заходів захисту, забезпечував можливість проведення робіт у стислі терміни і був рекомендований для втілення.

Список літератури

1. Державні будівельні норми України. Реконструкція, ремонт, реставрація об'єктів невиробничої сфери. Реставраційні, консерваційні та ремонтні роботи на пам'ятках культурної спадщини. ДБН В.3.2-1-2004. - К., 2005.

2. Закон України "Про затвердження Загальнодержавної програми збереження та використання об'єктів культурної спадщини на 2004-2010 рр." від 20 квітня 2004 р. № 1692-IV.

3. Орленко М.І. Михайлівський Золотоверхий монастир: Методичні засади і хронологія відтворення. - К.: Гопак, 2002. - 160 с.

4. Орленко М.І. Успенський собор Києво-Печерської лаври: Методичні засади і хронологія відтворення. - К.: Фенікс, 2015. - 832 с.

5. Отчет о разборке руин Успенского собора Госзаповедника "Киево-Печерская лавра". РНРПМ Научно-исследовательский и проектный сектор. - К., 1954.

6. Пам'ятка архітектури охор. № 4/1. Національний Києво-Печерський історико-культурний заповідник. Пам'ятка архітектури ХІ-ХІХ ст. Успенський собор Києво-Печерської лаври. Історична довідка. - К., 1998.

7. Сіткарьова О.В. Успенський собор Києво-Печерської лаври. - К., 2000. - 232 с.

8. Корпорація "Укрреставрація": на межі тисячоліть. - К., 2006. - 153 с.

Размещено на Allbest.ru