Реферат: Исследования инженерно-геологических условий памятников истории и культуры
2. Рядом с сооружением отбирают образцы грунта, использованного строителями для забивки свай. Оценивают W1 и r1 грунта в образцах и вычисляют необходимое количество (n) и диаметр моделей свай, позволяющих при забивке их в грунт, сохранить соотношения: r0 @ r1; W0 @ W1; D0/A0 @ D1/A1; где D1 и A1 – диаметр моделей свай и расстояние между их осями.
3. В грунт, помещенный в кольцо компрессионного прибора в лаборатории (или в площадку для испытания сжимаемости грунта штампом в полевых условиях), сохраняя указанные выше соотношения, забивают n моделей свай и оценивают полевыми или лабораторными методами сжимаемость (E2), r2 и W2 полученных моделей свайного основания исторического сооружения после забивки в него свай.
4. Вынимают модели сваи из грунта, находившегося в кольце компрессионного прибора или под штампом, и для этого грунта с помощью лабораторных или полевых методов определяют все перечисленные выше параметры (r4, W4, E4).
5. Полевыми или лабораторными методами определяют r5, модуль общей деформации (Е5) и мощность (m5) второго слоя грунта, залегающего под сооружением ниже первого слоя грунта со сваями, а также других нижележащих слоев грунта, обуславливающих осадку сооружения при строительстве и эксплуатации.
6. Используя метод математического моделирования напряженно-деформированного состояния многослойного основания сооружения под нагрузкой и полученные в лабораторных или полевых условиях параметры структуры основания (h, H-h, m5 и т.д.), плотности (r2, r4, r5 и т.д.) и сжимаемости (Е2, Е4, Е5 и т.д.) грунтов в основании сооружения, рассчитывают значения его осадки при различной длине отрезков сгнивших свай.
7. Исторические сооружения имеют, как правило, жесткие крестово-купольные или линейные конструкции. Для них опасны неравномерные осадки и сравнительно безопасны равномерные. Для различных участков сооружения по СНиП 2.02.01-83 определяют относительную разность осадок – Ds/L и ее погрешность – ma при интересующей нас доверительной вероятности a, где Ds – разность осадок, а L – расстояние между участками. Полученные для различных участков фундамента значения Ds/L, являющиеся характеристиками состояния отдельных интересующих нас участков основания сооружения, сравнивают с предельными деформациями основания – (Ds/L)u (прил. 4 СНиП 2.02.01-83) и оконтуривают участки основания, находящиеся в устойчивом состоянии – (Ds/L+ma)<(Ds/L)u, в предельном (Ds/L-ma)Ј(Ds/L)u Ј(Ds/L+ma) и в запредельном (Ds/L-ma)>(Ds/L)u.
8. Интенсивность гниения деревянных свай является непостоянной величиной, зависящей от условий их существования, свойств свай, особенностей контакта свай с фундаментом и т.п. В глинистых водонасыщенных грунтах в условиях плохого доступа кислорода этот процесс протекает со скоростью 0 – 2 см за 10 лет. В сухих песчаных грунтах, в зоне переменного увлажнения сваи гниют со скоростью 1 – 1.5 см в год. За 100 – 200 лет двухметровая свая может сгнить полностью.
На основе оценки состояния различных участков основания сооружения, полученной после расчета для каждого из них величины Ds/L, учитывая указанные скорости развития процесса гниения свай и состояние сооружения на момент оценки, определяют возможные интенсивность и направленность дальнейшего развития деформаций.
9. Определяют среднегодовую скорость развития процесса для разных участков сооружения (Ds/L/Т, где Т – возраст участка сооружения) и прогнозное приращение относительной разности осадок за время t путем расчета отношения Ds/L/Т. Сравнение значения Ds/L+Dst/L/T±ma с величиной (Ds/L)u позволяет выделить участки, имеющие перспективу стать опасными (предельными), и своевременно принять соответствующие меры. Прогнозную оценку состояния сооружения необходимо объединять с другими специальными методами. Значительную помощь в этом могут оказать периодическая оценка его технического состояния и стационарные наблюдения за изменениями положений отдельных элементов сооружения.
Приведенная методика была использована для оценки устойчивости западного прясла южной стены Троице-Сергиевой Лавры. В основании стены залегает 4-х метровая толща покровных суглинков (prQII-III). С помощью горных выработок было установлено, что 2-х метровые сваи, забитые в основание напольной стенки казематов № 2 и 9 южной стены Троице-Сергиевой Лавры в середине XVI в., полностью сохранились (h=0). Под построенной 100 лет спустя надворной стенкой тех же казематов сваи сгнили на 20-30 см от оголовков. В центральной части надворной стены под казематами №№ 7, 8 сваи сгнили не менее, чем на 1.3 м от поверхности. По данным лабораторных исследований плотность суглинков под сооружением 2.03 – 2.06 г/см3 и влажность – 20 – 30%. Расчеты напряженно-деформирован-ного состояния стены показали, что определяющим элементом конструкции является напольная стенка. Моделирование грунтового основания, включающее целые и частично сгнившие сваи, показало, что модули деформации грунта, уплотненного сваями до указанной выше плотности составил 31 МПа, со сгнившими сваями – 10 МПа, неуплотненного суглинка второго слоя – 7 МПа. Оценка изменения напряженно-деформированного состояния двухслойной толщи под передаваемой стеной нагрузкой (0.2 МПа) показала локализацию напряжений в верхнем более плотном слое и максимальную величину осадки в центральной части напольной стенки, не превышающей 5 см. Предельная (Ds/L)u здания с несущими стенами кирпичной кладки без армирования составляет 0.0020. Следовательно, можно полагать, что при длине участка стены (L) – 60 м, критическая Ds равна 12 см, что значительно больше 5 см. Таким образом, можно полагать, что при сохранении условий эксплуатации, основание стены находится и еще долго будет находиться в устойчивом состоянии.
Ж. Перспективными представляются геофизические дистанционные неразрушающие методы, основанные на измерении косвенных параметров. Одним из таких параметров является диэлектрическая проницаемость, значение которой в грунте в основном зависит от содержания воды. Дистанционная оценка диэлектрической проницаемости выполняется с помощью импульсного георадара с широкополосными щелевыми антеннами. Используемые сегодня георадары позволяют обнаружить трехмерно ограниченные объемы тел (сваи и др.), размер которых превышает 14 –20 см. Исследования выполняются на глубину 3 – 4 м. Оценка диэлектрической проницаемости грунта в основании гульбища трапезной Троице-Сергиевой Лавры позволила выявить местоположение и оценить состояние двух свай [4].
В 1995 г. сотрудниками НИИОСПа под руководством заведующего лабораторией И. В. Лаврова исследовалась изменчивость влажности и плотности грунтов изотопными нейтронным и гамма-гамма методами вблизи Успенского собора Троице-Сергиевой Лавры. Контроль точности выполняли с помощью стандартных лабораторных методов. Результаты исследований позволили оценить изменчивость влажности и плотности грунтов на глубину 3.3 м, проследить ее изменения во времени, выделить в нижней части техногенного слоя, на контакте с покровными суглинками текуче-пластичный прослой, аналогичный выявленному ранее в шурфе на другом участке Лавры, у Михеевской церкви.
В 1994 году професор МГГА Г. Н. Боганик и автор статьи севернее Успенского собора провели исследование инженерно-геологического разреза грунтов с помощью 24-х канальной цифровой компьюторизованной сейсмостанции. Результаты сейсмозондирования позволили в пределах 60-ти метрового профиля расчленить отложения на глубину 10 м и выявить имеющиеся в структуре техногенного слоя неодонородности.
Таким образом, исследования инженерно-гео-логических условий территории Троице-Сергиевой Лавры, основания и конструкций трапезной с церковью Сергия Радонежского, выполненные перечисленными методами, позволили в 1998 – 1999 г. специалистам ГСПИ, Мособлгеотреста, МГГА и ТОО “Экотехконтроль” оценить причины деформаций трапезной и эффективности использованных методов исследований.
Основной причиной образования многочисленных трещин в стенах, сводах и фундаментах, разрывов затяжек и связей храма является недопустимо большая разность осадок фундаментов различных частей здания, приведшая к большим деформациям его объема в целом и аварийному, постоянно ухудшающемуся состоянию отдельных конструкций.
В свою очередь, причиной недопустимой разницы в осадках явилось стечение следующих обстоятельств, приведших к крайне неблагоприятному состоянию системы основание – фундаменты – сооружение:
– изначально чрезмерно высокие напряжения под подошвами фундаментов от веса отдельных элементов здания (0.40 – 0.70 МПа);
– большой разброс фактических напряжений под подошвами фундаментов на различных участках здания (малая трапезная, основное помещение трапезной, церковь Сергия, гульбище);
– неоднородность грунтового основания храма, его свойств (несущей способнсоти, структуры и фильтрационных свойств и др.) в пределах четырех выделенных типов основания (А-II-2, Б-I-2, Б-I-3, Б-II-1);
– работа основания при напряжениях, превышающих расчетные сопротивления;
– конструктивные недостатки фундаментов, их малая пространственная жесткость, ограниченная способность к перераспределению нагрузок, малая прочность при работе на изгиб и растяжение, отсутствие деформационных швов;
– разуплотнение грунтов основания непосредственно под подошвой фундаментов за счет гниения свай;
– большой вес здания и его значительная протяженность;
– результаты хозяйственной деятельности, изменение влажности основания, неравномерное по площади здания, вызванное рядом причин (подъем уровня грунтовых вод после строительства шоссе, замощение территории, сооружение водонесущих коммуникаций с неизбежными утечками, земляные работы в разное время на прилегающей территории и пр.);
– нестационарный температурно-влажнсотный режим эксплуатации сооружения (отсутствие отопления здания в разные периоды, пожары).
Установленные причины деформаций Михеевской церкви, трапезной, южной оборонительной стены Троице-Сергиевой Лавры позволили разработать мероприятия по контролю и устранению деформаций сооружений. Многие выявленные причины деформаций типичны для других исторических сооружений, расположенных в аналогичных условиях, некоторые исключительно индивидуальны.
Рассмотренные методы исследований инженерно-геологических условий оснований исторических соружений во многих случаях универсальны и позволяют получить информацию, необходимую для оценки состояния, строения, свойств сооружений, и облегчить при необходимости их реставрацию или воостановление.
Список литературы
1. В.В. Дмитриев, профессор, доктор геолого-минералогических наук. Исследования инженерно-геологических условий памятников истории и культуры
2. Витрувий. Десять книг об архитектуре. М. 1936