Особенности устройства фундаментов старых зданий. Критерии необходимости усиления

На современном этапе вопросы реконструкции и модернизации существующих зданий и сооружений становятся важнейшими. В первую очередь реконструируются старые здания, включая постройки XIX и начала XXв. Перестраиваются и переоснащаются производства, размещаемые в разнообразных по конструкциях зданиях и сооружениях.

Основная часть больших городов России застроена 3-6-этажными зданиями. В Москве и Петербурге число таких домов составляет 55-75%. До 1917г здания этих крупнейших городов России дважды надстраивались, причем без специальных работ по усилению оснований и фундаментов.

Вопросы использования резервов фундаментов и грунтов в их основании и сейчас актуальны, так как имеется реальная возможность реконструкции старинных зданий и сооружений, зданий массовой застройки при ее уплотнении в процессе реконструкции городов. В настоящее время строительство городов распространяется на земли, неблагоприятные для хозяйственной деятельности, на которых почти вдвое выше затраты на устройство оснований и фундаментов. В отдельных случаях в зону развития городов попадают морские территории, дно которых сложено значительной толщей слабых грунтов (Токио, Кобе в Японии, прибрежные города Западной Европы, Америки). При этом одной из важнейших задач является сохранение имеющихся в этой зоне старинных построек на берегу или островах заливов.

Реконструкция старых производств сдерживается рядом факторов, в том числе плохим техническим состоянием конструкций зданий, получивших серьезные деформации при неравномерных осадках фундаментов в период эксплуатации. Интересен пример реконструкции лондонских мастерских при доках и набережных. В конструкциях их фундаментов обнаружены деревянные сваи IVв, забитые еще римскими легионерами и успешно функционирующие на протяжении 16 веков. Да и само слово свая в интернациональной транскрипции [раil] обозначает "копье легионера". Еще в период Римской Империи в начале летоисчисления существовали военные инструкции по устройству фундаментов и, в частности, по забивке деревянных свай. В своих книгах по архитектуре всемирно известный Витрувий уделяет много внимания подготовке свай к забивке. Рекомендованные им специальные пропитки и обжиг обеспечили многовековую сохранность свай. Уникальным примером долговечности и надежности деревянных свай являются фундаменты кафедрального собора в г. Страсбург (Франция). Большая часть фундаментов возведена здесь на сваях IVв. Находясь длительное время в воде, они сохранили свою прочность (рис. 2.1). Недавние обследования были связаны с понижением уровня подземных вод и опасениями, что в деревянных сваях может развиться процесс гниения.

Обследования культурных построек Х-ХIIвв. в Старой Ладоге (северо-запад России) свидетельствуют о достаточной прочности бутовой кладки фундаментов.

Неравномерные осадки старых зданий связаны либо с расструктуриванием грунтов основания, либо с гниением деревянных лежней, характерных для устройства старых фундаментов в толще слабых грунтов.

Рис. 2.1. Фундамент собора в Страсбурге (Франция) с использованием древнеримских свай: 1 - римский фундамент; 2 - фундамент XIX в.; 3 - глина; 4 - щебень, песок, гумус; 5 - щебень; 6 - подземная вода

Основными нормативными документами дореволюционной России можно считать Строительное уложение Петра Великого (1710), Новое строительное уложение (1820) и Урочное положение Рошефора (1889). Последнее переиздавалось до 1930г..

Согласно первым двум документам при устройстве бутовых фундаментов на слабых грунтах рекомендовалось использовать деревянные бревна, укладываемые ниже горизонта подземных вод. По этим бревнам выполнялась бутовая кладка на известковом (гидравлическом) растворе. Устраивались также фундаменты с укладкой бута прямо в открытые траншеи. Причем такая технология допускала укладку больших гранитных глыб диаметром до 800мм. При обследовании таких фундаментов опасна даже традиционная откопка шурфов.

Так, при шурфовании в процессе обследования фундаментов гостевого флигеля в усадьбе Рябово Всеволожского района Ленинградской области вывалилась гранитная незакрепленная глыба диаметром 700мм, что сразу же вызвало аварийную деформацию угла здания. Проблематично и усиление таких фундаментов с помощью традиционных технологических приемов.

Для кладки фундаментов капитальных зданий использовались в основном песчаник, известняк и реже - гранит, диабаз. Прочность таких бутовых камней вполне достаточна и до сих пор.

В качестве примера можно привести высокую прочность фундаментов под мосты и водоводы, возводимые в Европе, на Ближнем Востоке по проектам древнеримских архитекторов. Лабиринты фундаментов можно наблюдать в одном из древнейших городов мира - Иерихоне (Палестина). Исчезли надземные строения, а фундаменты сохранились и могут быть использованы и нести определенную нагрузку. Интересны строения на медедобывающих предприятиях, работавших за два тысячелетия до нашей эры в Египте. Все фундаменты из прочных горных пород, тщательно подогнанных по размеру, сохранились до наших дней, чему в немалой степени способствовали климатические условия. Отсутствие знакопеременных сезонных температурных воздействий и соответственно явлений промерзания и оттаивания оснований благоприятствовало длительной консервации фундаментов в грунте. Глубокое сезонное промерзание грунтов приводит, как правило, к разрушению фундаментов. Крупные камни от древних строений ежегодно поднимаются силами морозного пучения и за счет накопления остаточного выпучивания с годами оказываются на поверхности. Такие явления можно наблюдать в Швеции, Норвегии, Дании, Финляндии и на севере России, где даже легкие деревянные и достаточно гибкие подземные конструкции разрушаются из-за значительных неравномерных поднятий фундаментов силами морозного пучения.

Старые здания имели простейшие формы фундаментов: прямоугольные, пирамидальные, уступчатые. Преимущественно устраивались ленточные фундаменты, реже - столбчатые. Основанием зданий старой постройки служили естественные грунты. В старых городах (Москва, Новгород, Псков) многие строения возводились на насыпных грунтах, достигающих в отдельных местах 7-9м.

На слабых грунтах при высоком уровне подземных вод применялись короткие либо относительно длинные деревянные сваи. Короткие сваи использовались еще в древнем Риме для уплотнения грунтов, а также в средневековой России (фундаменты Звонницы Московского Кремля, Успенского собора в г. Дмитрове, крепостных стен в Пскове и Новгороде). В Петербурге, как правило, применялись относительно длинные сваи - до 8м. По сваям обычно устраивали деревянный ростверк, на котором возводили бутовую кладку фундамента. Характерным примером является фундамент Невской ограды Летнего сада (рис. 2.2). 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 Архангельске почти все исторически ценные здания имеют аварийные деформации из-за гниения голов свай. Аналогичные деформации отмечены в зданиях Петербурга, особенно в его центральной части.

Обследования большого количества зданий в различных регионах России, в Прибалтике и Финляндии, проведенные автором этой главы, а также анализ данных массового обследования зданий Петербурга (Ленинграда), выполненного специализированными фирмами, свидетельствуют о следующем:

• разрушение фундаментов как конструкций происходит в основном из-за снижения прочности раствора кладки либо его выноса с водой;

• грунты под подошвой фундаментов за длительный период времени, как правило, спрессовались, однако, имеются локальные нарушения (причины рассмотрены ниже);

• нарушена противокапиллярная изоляция стен над обрезом фундамента в результате поднятия культурного слоя грунта;

• кладка непосредственно над обрезом фундамента разрушена (расструктурена) вследствие промерзания и оттаивания в увлажненном состоянии;

• нарушена старая глиняная изоляция стен подвала, как правило, на участках ввода в подвал инженерных сетей;

• нарушена изоляция пола подвала.

Все перечисленные нарушения типичного бутового фундамента систематизированы на рис. 2.3; в табл. 2.1 указаны причины возникновения дефектов.

Рис. 2.2. Фрагмент Невской ограды Летнего сада

Поверочные расчеты показали, что фактические давления на грунты на уровне подошвы фундаментов в условиях Петербурга, как правило, выше значений расчетного сопротивления, принимаемых согласно российским нормам - СНиП2.02.01-83* "Основания зданий и сооружений" (рис. 2.4). Наиболее нагруженными оказались внутренние продольные стены. Отметим, прежде всего, что этот СНиП предназначен преимущественно для нового строительства. Во всех имеющихся нормативных документах мира и методических разработках не учитываются длительное уплотнение грунтов в основании и изменение их свойств за счет многочисленных факторов, рассмотренных ниже. Анализ данных расчетов, выполненных С.Н. Сотниковым для зданий Петербурга, показал, что абсолютные величины осадок фундаментов на характерных слабых грунтах связаны с высотой старых зданий. Осадки колеблются в пределах 3-20см (при высоте зданий от 3 до 6 этажей). Эти величины можно считать приемлемыми, так как в ряде случаев многоэтажные новые здания имеют аналогичные или большие осадки. Результаты расчетов подтверждают существующие представления о значительных осадках зданий на слабых водонасыщенных грунтах Петербурга (Ленинграда). Об этом свидетельствуют и данные длительных геодезических наблюдений (на отдельных зданиях имеются геодезические знаки 1872г).

Рис. 2.3. Традиционные конструкции фундаментов старых зданий с характерными дефектами (/- VIII, (см. табл. 2.10):

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

 

деревянные сваи; 16 - деревянный ростверк

Значения абсолютных осадок S, как правило, близки или превышают величины предельно допустимой осадки S_u для зданий данного типа. Соотношение S/S_u для 23 характерных зданий приведено на рис. 2.5.

 

 

Рис. 2.4. Сопоставление фактических

давлений по подошве фундаментов

реконструируемых зданий Р с расчетным

сопротивлением грунта основания R

 

Наряду с примерами удачных надстроек в конце XIX - начале XXв. имеются случаи, когда надстройки старых зданий приводили к аварийным обрушениям конструкций.