В настоящее время в Санкт-Петербурге состояние примерно 80% памятников архитектуры характеризуется как неудовлетворительное, около 70% от их общего числа требуют принятия срочных мер по спасению от повреждения и разрушения. Среди них такие сооружения, как Исаакиевский и Казанский соборы, здания Нового Эрмитажа, Адмиралтейства и др. В большинстве случаев причиной негативного состояния объектов является снижение несущей способности грунтов в основании сооружения, разрушение фундаментов и несущих конструкций в результате проявления коррозионных процессов, связанных, в основном, с ухудшением геоэкологического состояния в подземном пространстве города.

Исаакиевский собор – главный кафедральный собор Санкт-Петербурга («первенствующий в империи»). Его строительство началось в 1768 г. по проекту архитектора А. Ринальди [1]. Здание собора могло стать лучшим произведением зодчего, однако, он не смог закончить работу, и в 1802 г. строительство собора завершил архитектор В. Бренна. Он уменьшил размеры здания и отказался от устройства малых куполов. Собор получился приземистым и не соответствовал парадному облику центральной части Санкт-Петербурга, что уже в 1809 г. вызвало необходимость перестройки здания с сохранением части ринальдиевских фундаментов по желанию Александра I. В 1825 г. с многочисленными коррективами был утвержден проект О. Монферрана, который предполагал сохранение фундаментов алтарной части собора и подкупольных пилонов. Увеличение здания намечалось лишь в длину, ширина оставалась прежней.

Устройство фундаментов началось со вскрытия пятиметрового котлована и забивки сосновых свай. Свайное поле состоит из 24000 свай (сечением 0,26 м), которые забивались со дна строительного котлована. В целях экономии архитектор О. Монферран счел возможным использовать около 13000 свай от разобранного собора А. Ринальди (восточная часть Исаакиевского собора), длина которых составляет 10,5 м под пилонами и 8,4 м – под остальными конструкциями. Вновь забиваемые сваи имели меньшую длину: соответственно – 8,4 и 6,3 м. Между сваями на глубину 8 вершков (35,6 см) был втрамбован щебень, залитый сверху известково-песчаным раствором [7, 11]. Под несущими конструкциями и углами здания фундамент был выложен гранитными плитами, под портиками чередовались ряды бутовой кладки известняка с рядами гранитных блоков, в остальной части фундаменты представлены бутовой кладкой известняка. Массивная часть плиты была поднята более чем на 2 метра над дневной поверхностью. В массивном ростверке фундамента толщиной 7,5 м были устроены галереи размерами 2,5 х 2,5 метра. Строительство собора было завершено в 1841 г., и еще 17 лет продолжалась его внутренняя отделка. Общая длина собора с портиками составила 102 м, ширина – 92 м, а общий вес –300 тыс. т, из них 100 тыс. т приходится на массивную кладку ростверка. Исаакиевский собор – самое тяжелое здание в Санкт-Петербурге. При этом максимальное давление на основание составляет 31,9 тс/м² (3,19 кгс/см²) без учета заглубления фундамента, а с учетом заглубления – 22 тс/м² (2,2 кгс/см²).

Территория размещения Исаакиевского собора приурочена к низкой Литориновой террасе и располагается в районе склона левого борта глубокой погребенной долины Пра-Невы. Для выяснения разреза были изучены материалы изысканий, проведенных еще в 1954 г., когда были пробурены 4 скважины в углах собора [11]. Верхнекотлинские глины венда были вскрыты только в юго-восточной части здания на глубине 46 м (рис.1).

Рис.1. Геолого-литологический разрез основания Исаакиевского собора

Четвертичные отложения представлены (снизу вверх) ледниковыми образованиями лужской морены мощностью более 23 м, озерно-ледниковыми отложениями Балтийского ледникового озера и осадками Литоринового моря, перекрытыми техногенными грунтами мощностью до 3 м. Абсолютные отметки кровли морены, а также подошвы озерно-ледниковых и литориновых отложений имеют закономерное снижение на северо-восток, т.е. в направлении тальвега погребенной долины, в том же направлении возрастают мощности этих образований. В разрезе выделен единый водоносный горизонт грунтовых вод, приуроченный ко всем литологическим разностям послеледниковых отложений, и напорные воды в виде линз в моренных отложениях.

Формирование химического состава подземных вод в пределах изучаемого района определяет ряд техногенных факторов: наличие застойного гидродинамического режима в грунтах с низкой проницаемостью, а также загрязнение за счет утечек из rанализационной системы, схема расположения которой приведена на рис. 2. Результаты определения химического состава подземных вод представлены в табл. 1.

Рис. 2. Схема канализационной сети вокруг Исаакиевского собора [11]

Таблица 1

Результаты определения химического состава подземных вод

Элементы анализа	Еденица измерения	Номер скважины и глубина отбора проб ниже уровня водоносного горизонта
		№1, гл. 1,27 м	№4, гл. 1,20 м	№3*, гл. 3,55 м
Ca2+	мг/л	84,0	68,0	40,0
Mg2+	мг/л	77,8	53,3	28,0
K++Na+	мг/л	126,0	85,1	370,0
NH4+	мг/л	Не опред.	Не опред.	Не опред.
SO42-	мг/л	102,0	200,8	31,2
Cl-	мг/л	384,5	76,5	288,8
HCO3-	мг/л	201,3	317,2	707,6
NO3-	мг/л	Не опред.	Не опред.	Не опред.
NO2-	мг/л	Не опред.	Не опред.	Не опред.
Минерализация	мг/л	975,6	800,9	1465,6
Сухой остаток	мг/л	1156,0	680,0	1192,0
Жесткость общая	мг-экв/л	10,8	7,8	4,3
Fe2++Fe3+	мг/л	0,4	Нет	Нет
Перманганатная окисляемость	мгО2/л	16,0	13,1	26,1
CO2своб.	мг/л	15,5	15,5	15,5
CO2агрес	мг/л	11,0	70,4	Нет
рН	–	7,4	7,4	7,8
Физические свойства
Прозрачность	–	Мутная	Мутная	Мутная
Цвет	–	Желтый	Желтый	Бесцветная
Запах	–	Без запаха	Без запаха	Без запаха

 Повышенные содержания кальция (до 84 мг/л) и магния (до 77,8 мг/л), а также достаточно высокая жесткость вод в верхней части разреза (скв.1, 4), обычно не характерные для грунтовых вод в пределах города, свидетельствуют о выносе щелочноземельных компонентов (Са²⁺, Mg²⁺) из доломитизированных известняков массивной части фундамента и раствора кладки. Высокое содержание соединений серы (до 200,8 мг/л), хлоридов (384,5 мг/л), а также перманганатная окисляемость до (26,1 мгО₂/л) свидетельствуют о загрязнении вод канализационными стоками, что приводит к существенному ухудшению состояния и свойств песчано-глинистых пород за счет изменения окислительно-восстано­вительной обстановки и поглощения дисперсными частицами тонких взвесей, содержащихся в стоках. Для грунтовых вод характерны высокие значения минерализации, возрастающие с глубиной. (По всей вероятности, в подземных водах содержатся восстановленные формы серы, однако, при длительном стоянии проб воды наблюдается их окисление с образованием сульфатов).

По результатам исследований, выполненных в 1954 г. ЛПИ (ныне СПбГТУ) и трестом ГРИИ, литориновые супеси и озерно-ледниковые суглинки имеют текучую, реже текучепластичную, консистенцию, их естественная влажность изменяется от 35 до 45 %.

 Для определения характеристик прочности (сцепления и угла внутреннего трения) пород основания Исаакиевского собора в лаборатории ЛПИ был применен консолидированно-дренированный метод испытания на сдвиг в приборах конструкции М.П. Балдыша и ЛПИ, который как известно, дает завышенные значения углов внутреннего трения и не соответствует реальным условиям работы пород в основании (табл. 2).

Таблица 2

Показатели физико-механических свойств пород основания Исаакиевского собора
согласно консолидированно-дренированным испытаниям в сдвижном приборе [11]

№ слоя	Наименование грунта	Плотность, т/м3	Сцепление, тс/м2	Угол внутреннего трения j, град
1	Супесь литориновая	1,94	1,0	25
2	Озерно-ледниковый суглинок пылеватый	1,84	1,5	20
3	Моренный суглинок пылеватый	2,02	2,5	26

В соответствии с геолого-литологическим разрезом сваи полностью располагаются в слабых литориновых и озерно-ледниковых грунтах, следовательно, они должны рассматриваться как висячие. Следует отметить, что мощность сжимаемой толщи до верхнекотлинских глин венда в юго-восточной части собора составляет 41 м и возрастает в северо-западном направлении ввиду существенного понижения кровли вышеупомянутых глин.

Уникальное по своим конструктивным решениям здание Исаакиевского собора на протяжении многих десятилетий вызывало постоянное беспокойство с точки зрения обеспечения его устойчивости (см. рис. 1). Длительный период возведения собора, разновременность постройки различных его частей, неоднородность фундаментной кладки, разная длина свай, наличие мощной толщи слабых и деформируемых грунтов в пределах основания, резкое различие в глубинах залегания кровли относительно мало сжимаемых верхнекотлинских глин венда в разрезе пород повлекли за собой развитие значительных и неравномерных осадок собора. Еще до окончания строительства было обнаружено, что западная часть собора оседает больше, чем восточная [7]. В дальнейшем неравномерность осадки усилилась, вызывая развитие трещин в несущих подкупольных пилонах, наклон портиков, деформации и трещинообразование в верхней и нижней частях колонн. На протяжении всего периода существования собора велись ремонтные работы с целью устранения видимых причин разрушения конструкций. Более 160 лет наблюдается развитие неравномерных деформаций Исаакиевского собора.

Согласно нивелировке стен подвалов, проведенной в 1927 г., отмечался рост осадки с востока на запад в северном и южном коридорах. Относительная разность отметок точек, расположенных в северо-восточном и юго-западном углах здания, на расстоянии 90 м друг от друга, составляла 0,005, что по действующим СНиП 2.02.01–83 рассматривается как предельно допустимая величина для зданий с несущими стенами из кирпичной кладки. Данные нивелировки пола портиков показали, что при осадке основного корпуса собора они опустились вместе с ним и получили крен в сторону массивной части здания. Нивелировка прокладных рядов четырех подкупольных пилонов дала возможность установить, что осадочное движение средней части собора идет также с северо-востока на юго-запад. Зафиксировано отклонение яблока под крестом с востока на запад на 270 мм [7].

В 1983 г. по результатам съемки территории, примыкающей к зданию собора, было зафиксировано наличие «осадочной воронки» и выпора грунта с южной, западной и северо-западной сторон [8]. Наибольшая разность отметок поверхности в результате ее подъема составила 0,85м (рис. 3).

Рис.3. Результаты нивелирной съемки поверхности территории вокруг Исааки-евского собора [8]

Развитие деформаций выпора обычно характерно для малолитифицированных глинистых пород при неглубоком заложении фундамента. Для Исаакиевского собора относительное заглубление ростверка составляет всего 0,054 h_ф/b, где h_ф – глубина заложения подошвы ростверка, равная 5 м; b – ширина фундамента – 92 м). В случае приповерхностного заложения фундамента наблюдается интенсивное отдавливание слабых пород при отсутствии фильтрационной консолидации либо ее малой значимости в толще слабых пород основания собора при превышении первого критического давления.

Известно, что теория фильтрационной консолидации водонасыщенных глинистых пород К. Терцаги – Н.М. Герсеванова на протяжении последних 75 лет подвергалась пересмотру ряда базовых положений, касающихся характера перераспределения давления между поровой водой и скелетом, динамики развития порового давления во времени, учета структурных связей и аномальных свойств воды в глинистых грунтах [5, 9, 10]. Так, например, А.И. Ксенофонтов предложил релаксационную теорию консолидации, где расчетной моделью служит линейно-деформируемая вязкая среда с переменными характеристиками вязкости. Согласно данной теории глинистая порода рассматривается как однофазная среда, для которой характеристики вязкости зависят от координат точки и времени. При выводе уравнений консолидации используются зависимости механики сплошной среды. Анализ возможности применения фильтрационной консолидации привел А.И. Ксенофонтова к важному выводу: глины, имеющие коэффициент фильтрационной консолидации менее 10^-3 м/сут, нельзя рассматривать как двухфазные системы (скелет + поровая вода), поскольку мощность зоны, в которой возможна фильтрация воды из породы, снижается до нуля [6].

Аналогичные выводы были получены А.Л. Гольдиным, который показал, что при коэффициенте фильтрации менее 10^-3–10^-4 м/сут отток воды из глинистой породы не наблюдается [2]. По результатам многочисленных экспериментальных исследований, выполненных в Санкт-Петербургском горном институте, был определен градиент начала фильтрационной консолидации I_нфк, который может быть выражен эмпирической формулой для малитифицированных пылеватых глинистых пород: I_нфк =100 , где М_С – содержание глинистой фракции в относительных долях. Данное уравнение имеет определенный физический смысл: при отсутствии глинистой фракции I_нфк равен нулю. Содержание глинистой фракции определяет степень трансформации структуры воды в поле действия тонкодисперсных частиц и соответственно уровень ее «чувствительности» по отношению к восприятию внешнего давления [3].

Для водонасыщенных глинистых грунтов, в которых коэффициент скорости консолидации ≤ 10⁷ см²/год, фильтрационная консолидация в толще пород основания протекает весьма замедленно. Уплотнение пород обычно происходит в узкой локальной зоне согласно величине градиента начала фильтрационной консолидации, который в нашем случае составляет около 50, следовательно, мощность зоны уплотнения под фундаментом не превышает 20 см [4]. Образование малорастворимых биохимических газов при загрязнении поровых вод глинистых грунтов предполагает дальнейшее снижение величины порового давления, что будет способствовать разуплотнению глинистых пород. По всей вероятности, глинистые грунты в основании Исаакиевского собора находятся в неконсолидированном состоянии. Существование нестабилизированных глинистых пород в основании собора предполагает необходимость использования в расчетах несущей способности пород параметров сопротивления сдвигу, отвечающих схеме неконсолидированно-недренированных испытаний.

Для оценки специфики развития деформаций в основании собора были определены расчетное сопротивление и второе критическое давление согласно СНиП 2.02.01–83 с использованием параметров прочности, полученных для консолидированного по данным испытаний ЛПИ (см. табл. 2) и неконсолидированного состояния пород (табл. 3). Для расчета давлений с использованием характеристик грунта, отвечающих неконсолидированному состоянию, были использованы параметры сопротивления сдвигу озерно-ледниковых отложений, которые служат несущим слоем собора, полученные в условиях трехосного сжатия (в стабилометре) для объектов со сходными инженерно-геологическими и геоэкологическими условиями (табл. 3).

Таблица 3

Изменение величины расчетного сопротивления R и второго критического давления Р₂ для озерно-ледниковых суглинков в зависимости от показателей сопротивления сдвигу – сцепления С и угла внутреннего трения j, определенных при различных схемах испытаний

Применяемая методика испытаний и аппаратура	Организация, проводившая испытания	С, тс/м2	j, град.	R, тс/м2	Соотношение между R и давлением от сооружения Рс	Второе критическое давление Р2, тс/м2
КДИ* в сдвижном приборе конструкции М.П.Балдыша и ЛПИ	ЛПИ	1,5	20	63	R>Рс	-
Трехосное сжатие ННИ**	СПГГИ(ТУ)	2,5	6	27	R ®Рс	45
		2,5	4	23	R ®Рс	-
		2,5	0	18	R ≤ Рс Нелинейно-деформируемая среда	23

 * КДИ – консолидированно-дренированные испытания.

** ННИ – недренированно-неконсолидированные испытания.

Как следует из анализа табл. 3, величина расчетного сопротивления при использовании параметров прочности по схеме КДИ в 2 раза превышает полное давление собора. При таких условиях возможность отдавливания пород отсутствует, поскольку в основании действуют только сжимающие напряжения (I стадия уплотнения по Н.М. Герсеванову). Для озерно-ледниковых отложений, как квазипластичной среды, расчетное сопротивление меньше давления от сооружения, а второе критическое давление, превышение которого приводит к выпору, близко к давлению от сооружения. Соответственно грунты в основании собора работают на стадии развития пластических деформаций, что подтверждается данными наблюдений и геодезических замеров.

Для приближенной оценки возможных величин деформаций собора был выполнен расчет средней величины осадки с учетом пластических деформаций с использованием формулы И.А. Розенфельда [4]:

,

где р_с – величина давления от сооружения, 22 тс/м² ; р₂ – величина второго критического давления, 45 тс/м²; w - коэффициент, зависящий от относительных размеров и форм фундамента, равен 1,12; m - коэффициент поперечного расширения, равен 0,5; b – ширина фундамента – 92 м; m – коэффициент, учитывающий снижение модуля общей деформации на стадии линейного развития осадки (Е_л = 350 тс/м²) по сравнению с тем же показателем при развитии пластических деформаций (Е_н =120 тс/м²), m = Е_л / Е_н  = 2,91; n – коэффициент, зависящий от величины Е_л (при Е_л ≤ 150 кгс/см² n=2). В расчетах использован осредненный модуль общей деформации по мощности сжимаемой толщи.

 Осадка, рассчитанная по вышеуказанной формуле, составила 0,80 м. Однако с учетом неравномерности протекания деформаций, наибольшая осадка может превышать эту величину. Это было подтверждено расчетом осадки с учетом залегания в пределах сжимаемой толщи верхнекотлинских глин венда как жесткого мало деформируемого слоя по формуле СНиП 2.02.01–83 в условиях работы грунтов как квазилинейной среды:

,

где К_с – коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в сжимаемом слое и определяемый в зависимости от относительной толщины сжимаемого слоя (2Н/b, где Н=41 м), равный 1,4; К_m – коэффициент условий работы основания, значение которого зависит от модуля общей деформации и ширины фундамента, равен 1,5; К_i, К_i-1 – коэффициенты, определяемые по специальным таблицам в зависимости от относительной глубины подошвы и кровли i-го слоя, формы и относительных размеров фундаментов, для первого слоя озерно-ледниковых отложений К_i=0,07 и К_i-1=0,04 при Е_i=170 тс/м², для слоя моренных суглинков К_i=0,2,    К_i-1=0,07 при E_i = 400 тс/м². Для расчетов взяты наименьшие значения модуля общей деформации пород в разрезе основания. 

Максимальная осадка при введении в расчет давления от сооружения (р_с) без учета заглубления фундамента составила 1,43 м, а с учетом заглубления – 0,99 м.

На основании проведенных исследований можно полагать, что осадка Исаакиевского собора продолжается и может рассматриваться как «вековая осадка», вызванная отдавливанием породы из-под фундамента собора и развитием длительных и незатухающих деформаций ползучести грунтов в основании сооружения. Соответственно прогноз длительной устойчивости собора должен производиться на реологической основе поведения грунтов при условии медленного снижения прочности песчано-глинистых пород за счет протекания физико-химических и биохимических процессов.

Существующих данных наблюдений недостаточно для количественной и качественной оценки процесса деформирования грунтов в основании Исаакиевского собора и однозначного вывода о возможности стабилизации деформаций. Негативная тенденция изменения геоэкологической обстановки в подземном пространстве исторического центра города, предопределяющая повышение агрессивности подземной среды к материалам кладки фундамента, и ухудшение состояния и свойств грунтов в основании будут приводить, скорее всего, к усилению развития неравномерных осадок в условиях отсутствия фильтрационной консолидации грунтов.

С учетом сказанного прогноз развития осадок и долговременной устойчивости Исаакиевского собора должен проводиться на базе создания системы объектного мониторинга. Структура такого мониторинга Исаакиевского собора требует организации пунктов наблюдения за состоянием грунтовых вод и развитием биохимических и физико-химических процессов, в первую очередь газообразования. Контроль за состоянием грунтовых вод предполагает оценку их гидродинамического режима, изменения химического состава и агрессивности. Анализ тонкодисперсной взвеси на содержание биомассы при отборе проб воды позволит дать оценку активности микробиоты в разрезе основания памятника. Кроме того, должны быть продолжены инструментальные наблюдения за осадками здания, которые проводятся в настоящее время в системе городской нивелирной сети. Количество реперов и настенных марок будет уточняться в процессе мониторинга. Дополнительно на территории, примыкающей к собору, должны быть установлены глубинные реперы (на трех уровнях по глубине) с целью оценки характера развития деформаций по глубине в диагональных направлениях на всю ширину зоны влияния собора. Кроме того, следует рекомендовать и дистанционные методы наблюдений за отклонением купольной части собора от вертикальной оси.

Результаты объектного мониторинга позволят разработать программу по прогнозу длительной устойчивости сооружения и послужат основой для создания способов инженерной защиты собора и проведения ремонтных работ, а также рекомендаций по применению современных строительных материалов, устойчивых в условиях высокой агрессивности подземной среды города.

Список литературы

1. Бутиков Г.П., Хвостова Г.А. Исаакиевский собор. 2-е изд. Л.: Стройиздат, 1974.

2. Гольдин А.Л., Горелик Л.В., Нуллер Б.М. Влияние ползучести и газонасыщенности на процесс консолидации грунтов // Тр. к VIII Международному конгрессу по механике грунтов и фундаментостроению. М.: Стройиздат, 1973.

3. Дашко Р.Э. Инженерно-геологический анализ процесса консолидации водонасыщенных глинистых пород // Инженерная геология, 1981. №1.

4. Дашко Р.Э. Механика горных пород. М.: Недра. 1987.

5. Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов. М., Наука, 1967.

6. Ксенофонтов А.И. Об учете начального градиента напора и «активной» зоны фильтрации при решении задач по консолидации грунтов // Тр. МИИТ. Инженерная геология и механика грунтов. Вып. 432. М.,1973.

7. Никитин Н.П. Огюст Монферран. «Проектирование и строительство Исаакиевского собора и Александровской колонны». Л.: Госиздат. строит. лит., 1939.

8. Сотников С.Н. Осадка Исаакиевского собора // Фундаментостроение в условиях слабых грунтов / Межвузовский тематический сборник трудов: ЛИСИ. Л., 1986.

9. Флорин В.А. Основы механики грунтов. Л.; М.: Госстройиздат, 1959.

10. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983.

11. Отчет о НИР «Обследование основания и фундаментных частей здания государственного музея-памятника «Исаакиевский собор» и заключение об их состоянии»; Науч. рук. проф. В.А. Флорин / ЛПИ. Л. 1954.