N4, 2001

ГЕОТЕХНИЧЕСКОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ РЕКОНСТРУКЦИИ ИСТОРИЧЕСКИХ ГОРОДОВ (Тезисы лекции для XV Международной конференции по механике грунтов и геотехническому строительству. Стамбул, август 2001)

В.М.Улицкий

Улицкий Владимир Михайлович - д.т.н., профессор, член Президиума Российского Национального Комитета по механике грунтов и фундаментостроению (РНКМГиФ), Международного общества геотехников (ISSMFE), председатель Северо-западного отделения РНКМГиФ, член Международного рабочего комитета по спасению исторических городов № 19 (Неаполь), зам.председателя ГЭКК ОфиПС при Правительстве Санкт-Петербурга.

Основные направления научной деятельности - строительство и реконструкция на слабых и структурно-неустойчивых грунтах; технология фундаментостроения, усиление фундаментов; геотехнические расчеты; анализ сложных геотехнических ситуаций. Автор 140 опубликованных работ, в том числе 3 монографий, 5 изобретений

Я убежден, что новое столетие будет столетием реконструкции.

Мы имеем нормы и правила для нового строительства. Для реконструкции они не подходят. Реконструкция городов является сложной не только архитектурной, но и геотехнической задачей. Эта задача многократно усложняется для исторических городов, имеющих ценную застройку. Отдельные памятники имеют международную значимость.

Какие города называют историческими. Конечно, Иерусалим, Иерихон (5 тыс.лет), Стамбул, Константинополь, Вечный Рим, Каир и многие другие. Но есть города, которым не более 300-400 лет. Их также можно считать историческими. Это крупнейшие города и столицы европейских, американских государств и Австралии. В этих городах сосредоточены памятники как национальной, так и международной значимости. Среди них - мой родной Петербург.

Какие основные геотехнические проблемы мы имеем на начало нового тысячелетия.

Исторические города строились как на скальных грунтах (по рекомендации Библии), так и на слабых. Многие города создавались в долинах рек и на берегу морей, где имеется значительная толща слабых грунтов. Проблемы можно систематизировать следующим образом:

• Обеспечение сохранности значимых исторических памятников для наших потомков в 3 и 4 тысячелетии.
• Сохранение исторических зданий при уплотнении городской застройки (строительство новых зданий около существующих).
• Освоение подземного пространства исторических городов в влияние этого процесса на грунты, фундаменты и на сами здания.

Оценим роль геотехники и геотехнологии в процессе успешного решения этих проблем. За основу можно взять принцип "Жизнь в согласии с природой", который является центром, вокруг которого вращаются планеты. Каждая планета имеет свои имя, связанное с наиболее значимыми видами общечеловеческой деятельности начала XXI века. Такая интересная схема предложена инженерным департаментом фирмы "Самсунг". Мне представляется, что она отражает истинное положение дел. Как видно из этого рисунка (рис.1) геотехнология вращается на орбите очень близкой к центру. В центре - принцип, отмеченный выше. Я думаю, если и есть здесь преувеличение, то самое маленькое. Геотехника и геотехнологии важны для выживания человечества и сохранения того наследия, которое оставили нам и ушедших тысячелетий наши предки.

Рис. 1. Важнейшие виды человеческой деятельности, обеспечивающие жизнь в согласии с природой (схема предложена инженерным департаментом фирмы "Самсунг"

Я предлагаю рассмотреть следующие задачи, в плане поставленных проблем. Над этими задачами работают и мои коллеги из Международного рабочего комитета № 19 (TC-19-Preservation of Historic Sites International Society for Mechanics and Geotechnical Engineering, членом которого я являюсь). Руководитель этого комитета - проф. Viggiani (Неаполь).

1. Особенности обследования оснований и фундаментов зданий

2. Расчеты при проектировании для обоснования технологий усиления.

3. Выбор рациональных способов усиления.

4. Оценка влияния новой постройки на существующие здания.

5. Геотехническое моделирование сложных ситуаций, связанных с уплотнением городской застройкой и выбор безопасных способов выполнения работ по устройству фундаментов.

6. Геотехнический мониторинг, обеспечивающий безопасное ведение работ.

На рис.2 последовательность реконструкционных работ систематизирована по этапам, где требуется обязательное участие специалистов-геотехников.

Рис. 2. Последовательность реконструкционных работ и их геотехническое сопровождение

Как видите, важных задач много. Я постараюсь конспективно их оценить. Кого заинтересуют детали, можно с ними более детально ознакомиться на сайте www.georec.spb.ru

Необходимость усиления памятника оценивается на основе детального обследования состояния его конструкций, инженерно-геологических изысканий.

На традиционных методах диагностики я останавливаться не буду. Можно обратить внимание на наиболее оригинальные, выполненные на различных объектах реконструкции как гражданского, так и промышленного назначения.

Для фундаментов зданий до начала XX в. использовался в основном известняк, песчаник и реже - гранит, диабаз. Прочность таких камней и сегодня вполне достаточна. Здания возводились на ленточных фундаментах преимущественно прямоугольного, трапециевидного или уступчатого сечения. Обычно фундаменты возводились на естественном основании.

При слабых грунтах и высоком уровне подземных вод применялись деревянные сваи. По сваям обычно устраивали деревянный ростверк, на котором возводили бутовую кладку фундамента. Эффективность работы таких фундаментов связана с положением зеркала подземных вод. Повсеместное понижение этого уровня в больших городах приводит к гниению древесины и разрушению ростверков. Так, в приморских городах Европы многие исторически ценные здания имеют аварийные деформации из-за гниения голов свай. Аналогичные деформации отмечены и в зданиях Петербурга, особенно в центральных районах.

Обследованные автором здания в различных регионах России позволили систематизировать причины развития дефектов фундаментов (см. табл.1 и рис. 2).

Проходкой шурфов является самым распространенным способом обследования основания фундаментов, применяемым при реконструкции. Шурфование позволяет проводить визуальное изучение, пенетрацию грунтов, массовый отбор проб, по которым определяются показатели свойств грунтов, устанавливается изменение физико-механических характеристик в уплотненных зонах основания.

Таблица 1

Дефекты фундаментов старых зданий и причины их возникновения

Рис.3. Традиционные конструкции фундаментов старых зданий с характерными дефектами (I - VIII см. табл. 1.): а - бутовый фундамент на естественном основании; б - фундамент на сваях; 1 - кирпичная кладка стены; 2 - надподвальное перекрытие; 3 - труба, пропущенная через фундамент; 4 - бутовая кладка на растворе; 5 - пол подвала; 6 - гидроизоляция пола; 7 - деревянные лежни; 8 - каменная забутовка; 9 - гидроизоляция фундамента; 10 - горизонт подземных вод на момент реконструкции; 11 - то же на момент строительства; 12 - старая планировочная отметка; 13 - новая планировочная отметка с поднятием культурного слоя; 14 - старая противокапиллярная гидроизоляция; 15 - деревянные сваи; 16 - деревянный ростверк

Недостатками шурфования являются высокая трудоемкость проведения работ в сложных условиях (под нагруженными конструкциями сооружения), частая необходимость крепления стенок шурфов, выполнение водоотлива. Указанные недостатки метода шурфования иногда делают его малопригодным.

Информативность способов зондирования существенно возрастает при проведении комплексных и сопоставительных изысканий на основе тарировки с использованием корреляционных зависимостей между показателями зондирования и прямыми определениями характеристик физико-механических свойств грунтов. При зондировании грунтов непосредственно под подошвой в ступенях фундаментов пробуриваются сквозные отверстия диаметром 45-50 мм, через которые выполняется зондирование (рис. 4).

Рис.4. Зондирование лопастным зондом грунтов в основании фундамента: 1 - фундамент; 2 - стена; 3 - зонд; 4 - направления внедрения зонда; 5 - лопастной наконечник; 6 - сквозное отверстие, пробитое в фундаменте перфоратором; 7 - скважина для отбора проб;I, II, III - зоны разной степени уплотнения - упрочнения

Весьма актуальной задачей является диагностика свай в конструкции здания. За длительный период эксплуатации их несущая способность должна повыситься. Но здесь возникают проблемы, которые трудно учесть расчетами. Массив грунтов около старых деревянных свай может быть загрязнен. Тогда биологическому поражению подвергнутся как сами грунты, что доказано специальными исследованиями, так и деревянные сваи и ростверки, объединяющие их для совместной работы. Методика ITS (Inttegrity Test System) позволяет установить фактическую длину и сплошность свай, а непосредственные испытания свай статической нагрузкой в конструкции - их несущую способность. На рис.5 приведены достаточно необычные испытания старых деревянных свай. Для их проведения были отрыты шурфы и на голову сваи установлен специальный домкрат. Интересны и испытания железобетонной сваи в существующем ростверке для решения вопроса об увеличении нагрузки на колонны после реконструкции. Как видно из данных сопоставительных испытаний на рис. 6, свая через 26 лет работы в кусте значительно повысила свою несущую способность. Испытывалась более доступная крайняя свая. Несомненно, такие испытания сложны, многодельны. В силу этого для оценки несущей способности существующих свай можно использовать имеющиеся теоретические решения и, соответственно, приемы численного анализа работы одиночных свай и свай в кусте. Эти вопросы рассматриваются подробно на соответствующих специализированных конференциях и на секциях геотехнических конгрессов.

Оценка сплошности и длины деревянных и железобетонных свай может быть выполнена с помощью общепринятой интернациональной методики ITS, приведенной на рис.7.

Рис. 5 Испытания деревянных свай в конструкции	Рис.6 Испытание железобетонной свай в конструкции
Рис.7. Результаты испытаний свай на сплошность а) деревянная свая (длина 8,7 м); б) железобетонная свая (длина 21 м)

Несмотря на все увеличивающийся объем реконструкции зданий и сооружений самого различного назначения, к началу третьего тысячелетия не создано нормативных документов, регламентирующих порядок расчета оснований и фундаментов в различных вариантах реконструкции.

К наиболее распространенным случаям реконструкции можно отнести:

-увеличение нагрузки на существующие фундаменты (надстройки, использование более тяжелых конструкций и пр.);
-устройство новых фундаментов на пятне застройки старого, разбираемого при реконструкции;
-пристройку новых зданий и сооружений к старым, существующим;
-усиление либо переустройство оснований и фундаментов.

Несущая способность должна был достаточной, чтобы не происходила потеря устойчивости основания, а неравномерности осадки оснований не должны превышать предельно допустимых величин для нормальной эксплуатации здания после реконструкции. Проектирование производится по двум предельным состояниям.

Целью расчета по первому предельному состоянию является обеспечение несущей способности и ограничение развития чрезмерных пластических деформаций в период дальнейшей эксплуатации здания после реконструкции.

Этот расчет производится, исходя из общего условия:

(1)

где Fcr - расчетная нагрузка на основание после реконструкции; Fu - сила предельного сопротивления основания с учетом изменения свойств грунтов в процессе эксплуатации реконструируемого здания.

Дефицит несущей способности оснований и фундаментов реконструируемого здания устанавливается после анализа результатов обследования. В общем случае

где Fтрd - требуемая несущая способность основания или свай из условия сопротивления грунта, принятая с учетом возможного увеличения постоянных и временных нагрузок при реконструкции; Fod - несущая способность грунтов основания (свай), с учетом возможного улучшения свойств грунтов в процессе эксплуатации.

Если Fтрd = Fоd, то необходимость усиления фундаментов при реконструкции отсутствует. Окончательно решается вопрос об отмене усиления после расчета оснований и фундаментов по второму предельному состоянию.

Для расчета по второму предельному состоянию необходимо соблюсти условие

где pII - фактическое давление по подошве фундамента после реконструкции; Rс - расчетное сопротивление грунта основания с учетом его уплотнения в процессе эксплуатации.

Значение расчетного сопротивления уплотненного грунта основания может быть также получено из выражения

где R - расчетное сопротивление грунта основания, определенное для грунта в естественном его залегании (без уплотнения); mр - коэффициент, зависящий от отношения величины давления по подошве фундамента до увеличения нагрузки при реконструкции р0 к расчетному сопротивлению R; при р0 /R і 0,8 mp = 1,3; при 0,8 і р0 /R і 0,5 mp = 1,15; при р0 /R Ј 0,5 mp = 1,0; ms - коэффициент, принимаемый по табл. 2 в зависимости от отношения величины осадки Sр при давлении по подошве, равном значению р0 к предельно допустимой осадке для данного вида зданий или сооружений Su.

Таблица 2

Значение коэффициента ms

П р и м е ч а н и е. Для промежуточных значений Sр/ Su коэффициент ms принимается интерполяцией.

При использовании этой методики необходимо иметь в виду, что относительные деформации после надстройки не должны превышать предельных значений, опасных для здания. Следует также учитывать, что при надстройках неравномерные деформации, как правило, имеют то же направление, что и до надстройки.

Прогноз дополнительных осадок оснований реконструируемых зданий рекомендуется осуществлять специальным расчетом в 2 этапа: первый этап - расчет исходного (до реконструкции) напряженно-деформированного состояния основания; второй этап - определение дополнительной осадки фундамента после реконструкции.

Если дополнительные осадки здания после реконструкции превышают предельные значения, которые будут безопасными с учетом его технического состояния, то необходимо произвести работы по усилению.

Конструкции усиления фундаментов и стабилизации грунтов разнообразны. Они собраны в табл.3. Как видно из этой таблицы, наиболее эффективными являются современные инъекционные технологии.

Таблица 3

Оценка технологичности различных способов усиления фундаментов на слабых грунтах

Этапы расчета могут быть численно промоделированы. На рис. 7 (а) видно влияние дома № 7, недавно возведенного на толще относительно слабых грунтов, на старое здание, существующее более 100 лет (дом № 5). Здание № 5 было деформировано ранее при строительстве рядом с ним в 1950 г. дома № 3 (рис.7б). Представляется возможным промоделировать систему усилительных мер с учетом уже реализованных в виде короткого разделительно шпунта.

В качестве примера можно привести быстрые исследования и разработку проекта усиления Константиновского дворца в Стрельне под Петербургом в связи с его опасным положением на сравнительно высоком откосе - на древнем берегу Балтийского моря. Фундаменты этого дворца выполнялись как на естественном основании, так и на сваях.

а)	б)
Рис.8. Влияние строящихся зданий на существующие

Зданию скоро будет 300 лет, это одно из первых каменных зданий петровского времени. Здесь бывали все русские цари, начиная с Петра I и кончая Николаем II. Петр Великий был инициатором его строительства. В лекции трудно рассмотреть все технические детали , связанные с этим интересным зданием. Остановлюсь на главном: гроты и терраса перед дворцом являются подпорным сооружением, которое обеспечивает устойчивость дворца.

Терраса разрушается из-за того, что ливневые воды не отводятся и попадают в кирпичную кладку подпорной стены. В суровую зиму вода замерзает и разрушает кладку из кирпича. Этот процесс характерен для северных стран и, конечно, не страшен для южных исторических городов, где нет низких температур, таких как Иерусалим, Иерихон, Рим, Стамбул и Каир.

В результате часть кладки получила сильные разрушения. Деревянные сваи сгнили. Все эти факторы моделировались на компьютере. Моделирование показало, что необходимо провести усиление оснований и фундаментов подпорного сооружения. Это усиление будет гарантировать устойчивость всему дворцу (Подробнее о восстановлении Констрантиновского дворца см. специальную статью в этом номере журнала (ред.)).

До усиления разрушенные своды укрепляются металлическими элементами. Кирпичная кладка инъецируется специальными составами. Через укрепленную кладку изготавливаются корневидные сваи, которые своей нижней частью входят в плотные грунты (кембрий и морену). Такое усиление нам представляется оптимальным. Это же подтвердили расчеты. Без усиления возможны подвижки и разрушения здания дворца.

Насколько достоверны геотехнические прогнозы при численном моделировании, можно, проверить на здании, где в течение 20 лет проводились наблюдения за осадками (см. статью К.Г.Шашкина "Расчет напряженно-деформированного состояния основания, фундаментов и здания" в этом номере журнала). Расчеты показали хорошую сходимость с данными геодезических наблюдений. Отклонение пристройки составило 30 см. Вопрос об усилении не решен. Приглашаю участников лекции принять участие в решении этой конкретной задачи. Таких задач в Петербурге много и все они связаны с большими осадками. Так, Исаакиевский собор, имеет осадку около 1,0 м (это при 12 тысячах деревянных сваях под ним). Это самый крупный православный христианский собор в мире и его спасение в том, что он садится относительно равномерно.

Рядом с Исаакиевским собором есть два интересных памятника, экспертом технического состояния которых мне неоднократно приходилось быть. Один из них - русскому царю Николаю I. Он поставлен на толще слабого грунта, под его пьедесталом более 1000 деревянных свай длиной 6...6,5 м. На сваях - ростверк из гранита высотой 4...4,5 м.

В мире есть, пожалуй, единственный памятник Фундаменту. Это "Медный всадник" - памятник Петру I на Сенатской площади в Петербурге работы Фальконе, стоящий на пьедистале-фундаменте из огромного валуна - знаменитого "гром-камня". Фундамент расположен почти на поверхности на толще слабых грунтов. Имея большую опорную площадь, он создает сравнительно небольшое давление на грунты основания. Большой вес позволяет избежать проблем с морозным пучением. Фундамент не скрыт в грунте и обозревается всеми. Фундамент и скульптура слиты в единый ансамбль. Не правда ли, это достойный памятник фундаменту, доступный для обозрения. пользуясь случаем, приглашаю участников конференции на праздник - юбилей нашего города в мае 2003 г. - ему будет 300 лет.

Исторические здания и памятники возводились довольно медленно. Строительство Исаакиевского собора заняло более 50 лет. Наше время - это время высоких скоростей, в том числе и в строительной области. В связи с этим многократно возрастает техногенная нагрузка от строительства на массив грунта и существующую застройку. Очень важной становится расчетная и экспериментальная оценка влияния различных геотехнологий на грунты основания. Без такой оценки a priori ни одна самая совершенная технология фундирования не может считаться щадящей. Об этом свидетельствуют примеры неудачного использования в Санкт-Петербурге технологии изготовления буронабивных свай под защитой обсадной трубы при строительстве гостиницы на Невском пр., а также технологии проходного шнека (CFA) возле Московского вокзала. В обоих случаях были разрушены исторические здания. Любая самая современная и совершенная технология должна быть адаптирована к специфически геологическим условиям конкретного исторического города. Строгий геотехнический мониторинг должен сопровождать все этапы работ по реконструкции городской застройки. К сожалению, несовершенство геотехнических норм многих стран, в том числе и России, позволяет экономить на этом интеллектуальном виде работ. Но экономия на интеллекте всегда приводит к авариям и убыткам. Наш долг - долг корпорации геотехников - создать условия, при которых во всех странах мира станет невозможной подобная экономия, а профессиональные знания геотехников будут всегда востребованы обществом. Без напряженного труда геотехников невозможно обеспечить надежность нашим зданиям - как новым, так и старым. Наш долг - сохранить наследие, созданное за тысячелетия и продолжать создавать шедевры, которые будут радовать и удивлять живущих в 3 и 4 тысячелетиях.

Я благодарен за приглашение прочитать специальную лекцию перед столь взыскательной аудиторий, состоящей из ведущих геотехников мира. Благодарю за внимание.