Например, строительство трапезной с церковью Сергия Радонежского Троице-Сергиевой Лавры выполнялось, несомненно, в соответствии с методами, разработанными итальянскими архитекторами. Уникальное сооружение трапезной, перекрытое безстолпным пятнадцатиметровым кирпичным сводом, состоит из четырех разновесных блоков с диапазоном нагрузок на основании от 0.18 до 0.70 МПа. Расчетные сопротивления грунтов основания после забивки и последующей частичной или полной деструкции свай-“коротышей” оказалась равными 0.31 – 0.53 МПа. Очевидно, что здание испытывает неравномерную осадку, вследствие чего должно деформироваться и растрескиваться. Можно отметить еще один интересный факт. Строители трапезной отклонились от рекомендаций, предложенных Витрувием и А. Палладио, и забили сваи в 3 – 4 раза реже рекомендуемых значений. При правильной реализации итальянской технологии после сгнивания свай под зданием трапезной появились бы большие полости двухметровой глубины, которые могли привести к значительным деформациям здания. В настоящий момент величина “действительной свайной пустотности” (отношение объема пустот от сгнивших свай к объему включапющих их оснований сооружения) изменяется под зданием от 0 до 14% при “максимально возможной свайной пустотности” (отношение объема свай к объему включающих их оснований сооружения) от 4 до 22% [3]. Здание деформируется со скоростью 1 – 2 мм в месяц, но не разрушается.
г. Очевидно, кирпич, белый камень, дерево, другие строительные материалы не могут иметь одинаковый срок эксплуатации. Разные сроки “старения” имеют эксплуатируемые в различных условиях известняк, кирпич, металл и различные породы дерева, известковый раствор и бутовый камень. Даже один материал – кирпич, вследствие различных условий обжига, местоположения в обжигаемой партии, условий эксплуатации, разрушается не одновременно. Известняк только внешне однороден. На самом деле отдельные блоки известняка, полученные из одного месторождения, например Мячковского, по данным А. А. Ануфриева (1997) могут иметь существенно разные свойства, структуру, состав и состояние, и, соответственно, сроки разрушения. Основание многих исторических сооружений сложено разнообразными грунтами, имеющими разную несущую способность.
Забивка свай-“коротышей”, закрепление или выемка и удаление “слабых” грунтов – немногие методы технической мелиорации, рекомендованные итальянскими архитекторами. Сваи, во-видимому, в подавляющем большинстве случаев создавали значительный запас несущей способности грунтов, обеспечивали однородность основания, соответствие нагрузкам, идущим от сооружения. При их гниении запас несущей способности постепенно сменялся дефицитом [6].
Для улучшения свойств грунтов оснований монументальных сооружений с раннего средневековья до XIX века на Руси часто использовались именно деревянные сваи [8, с.27]. Дубовые или из хвойных пород дерева сваи длиной 0.7 – 2.2 м забивались в грунт основания сооружения, уплотняя его, повышая его несущую способность. Количество и толщина свай выбиралась, возможно, на основе оценки числа ударов, необходимых для забивки сваи, или состояния ее оголовка после забивки. Оценка параметров свайных полей с учетом толщины свай, выполненная для сооружений Троице-Сергиевой Лавры показала, что при забивке свай строители стремились получить максимально возможную плотность грунта (r) при его имеющемся состоянии – влажности (W), степени текучести (IL). Значения r, например, для покровных суглинков при W = 20 – 25%, даже после сгнивания свай, как правило, достигало 2.03 – 2.06 г/см3. В процессе длительного существования сооружений сваи, подвергаясь влиянию окружающей их среды, воздействию микро- и макроорганизмов – грибов, бактерий, червей, начинали гнить с разной скоростью, зависящей от конкретных условий, изменяющейся в значительных пределах даже на небольшом участке. Процесс разрушения свай рассмотрен достаточно подробно для разных памятников [6].
Гниение свай изменяет свойства основания сооружения в целом. В нем появляются полости, грунт пропитывается органическими остатками свайного фундамента, изменяются его W, r, IL и, как следствие, несущая способность. Эти изменения влияют на устойчивость сооружения.
Таким образом, имеется множество причин деформаций памятников. Разные инженерно-геологические условия строительства и эксплуатации памятников, многообразие современных методов технической мелиорации предполагают разные методы инженерно-геологического изучения взаимодействующей с ними геологической среды.
Инженерно-геологическое изучение основания – одна из наиболее сложных задач, решаемых при оценке инженерно-геологических условий существования памятников. Сооружение построено, и основание малодоступно для традиционных, специальных лабораторных и полевых методов инженерно-геологических исследований. Поэтому при изучении структуры и свойств оснований памятников используются и стандартные, и часто достаточно специфические методы исследований:
А) визуальное обследование фундаментов и оснований сооружений из специально пройденных шурфов;
Б) горизонтальное и наклонное бурение скважин в грунтах оснований памятников с отбором образцов;
В) полевые испытания грунтов оснований памятников (in situ) методами статического и динамического зондирования;
Г) лабораторное изучение состава, состояния, структуры и свойств образцов грунта и других материалов, отобранных из основания сооружения;
Д) оценка гидрогеологических условий, режима и состава подземных вод;
Е) физическое лабораторное и полевое моделирование, математическое моделирование;
Ж) геофизические дистанционные, неразрушающие исследования.
Специфические условия работы и особенности каждого отдельного памятника вносят свою индивидуальную специфику в методику и состав применяемых методов получения информации. Инженерно-геологические исследования выполняются, как правило, в комплексе с конструкторским обследованием сооружения и, соответственно, анализом его структуры, а также археологическими исследовниями.
А. Шурфы проходят вплотную к стене вдоль фундамента и свайного основания с небольшим подкопом под здание и отбором образцов из грунтов основания, свай, натеков, грунтов, залегающих вблизи основания и пр. для лабораторных исследований, перографических, рентгено-структурных и др. анализов, фотодокументации, описания, построения разверток. В шурфах выполняют искиметрию и микропенетрирование. Из них проводят наклонное и горизонтальное, веерное и параллельное бурение и статическое зондирование, вертикальное динамическое зондирование, геофизические и гидрогеологические исследования.
Б. Бурение скважин для изучения состояния основания может выполняться с дневной поверхности и из шурфов под небольшим наклоном к стене сооружения и параллельно дневной поверхности с отбором керна.
Веерное и параллельное, наклонное и горизонтальное бурение из шурфа под основание сооружения достаточно эффективно выполняется с помощью ручного зонда РЗГ?2. Бурение производится короткими заходками пробоотборником диаметром 14 мм, длиной 55 мм. Полученные образцы грунта используются для лабораторных анализов.
В. Бурение грунтов особенно информативно в сочетании с зондированием. Например, оценку основания трапезной Троице-Сергиевой Лавры проводили из шурфов с помощью ручного зонда РЗГ?2, геофизических и лабораторных методов. Для участков здания, расположенных на песчаных грунтах, использовали горизонтальное и вертикальное бурение, а также вертикальное динамическое зондирование. Статическое зондирование выполняли веерным и параллельным способами коническим наконечником диаметром 14 мм с углом при вершине 60°. Сопротивление грунта статическому зондированию определяли манометром МТК на 0.1 МПа. При наличии в основании здания глинистых грунтов, применяли вертикальное и горизонтальное бурение, а также горизонтальное статическое и вертикальное статическое и динамическое зондирование. Для перехода от результатов оценки сопротивления зондированию, получаемых с помощью ручного зонда РЗГ?2, к стандартным, выполнили тарировочные исследования на тарированном участке Сергиев-Посадского полигона МГГА.
В результате проведенных работ для трапезной Троице-Сергиевой Лавры стали известны:
– особенности “инверсионной”, столбчатой структуры грунтов основания;
– четыре типа основания, учитывающих состояние, строение и свойства грунтов, а также расположение и состояние свай- “коротышей”;
– оценки “максимальной” и “действительной свайной пустотности”, изменяющиеся, соответственно, от 4 до 22% и от 0 до 14%;
– три инженерно-геологические элемента в пределах техногенных грунтов основания (ИГЭ 1.2 – 1.4);
– нормативные и расчетные значения прочностных и деформационных параметров грунтов основания;
– расчетные сопротивления грунтов в пределах выделенных типов основания, изменяющиеся от 0.31 до 0.53 МПа.
Нагрузки на основание различных элементов здания, согласно расчетам Е. М. Шмакина, Р. У. Абасова, М. В. Полещенко и А. П. Ющенкова, изменяются от 0.18 до 0.70 МПа. Сопоставление параметров свойств и структуры основания трапезной с действующими на него нагрузками выявило причины и позволило объяснить особенности и перспективы опасных деформаций сооружения.
Г. В основном арсенал лабораторных методов, используемых при изучении оснований исторических сооружений, является стандартным, соответствующим требованиям нормативов. В последнее внемя он дополнен методами петрографического, минералогического, рентгено-структурного анализов.
Д. В значительнйо мере формирование и изменения инженерно-геологических условий памятников определяются гидрогеологическими условиями. Их оценка связана, как правило, с изучением состава и параметров режима вод техногенных отложений в фундаментах сооружения, верховодки и грунтовых вод, исследованием их влияния на миграцию гигроскопической, капиллярной и осмотической воды, формирование конденсатных вод и новообразований солей (“высолов”) [7].