Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Механизм процесса снижения несущей способности грунтов оснований памятников русской архитектуры

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Демкин, Игорь Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПАМЯТНИКОВ РУССКОЙ АРХИТЕКТУРЫ.

1.1 Постановка проблемы.

1.2 Анализ существующих методик проведения реставрационных работ.

1.3 Необходимость исследования памятников русской архитектуры как исторических природно-технических систем.

2 СТРУКТУРА ИСТОРИЧЕСКОЙ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «ПАМЯТНИК -ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА».

2.1 Конструктивные особенности памятников русской архитектуры.

2.1.1 Краткая характеристика надземных несущих конструкций памятников русской архитектуры.

2.1.2 Особенности деформаций надземных несущих конструкций.

2.1.2 Конструктивные особенности фундаментов памятников русской архитектуры.

2.1.3 Специфические особенности работы каменных конструкций фундаментов памятников русской архитектуры.

2.2 Структура геологической среды в основаниях памятников русской архитектуры.

2.2.1 Краткая характеристика геологического строения территорий размещения памятников русской архитектуры.

2.3 Структура сферы взаимодействия памятника русской архитектуры с грунтами основания.

2.4 Влияние свайных оснований на состояние надземных конструкций памятников архитектуры . 47 2.4.1 Основные предпосылки развития процесса снижения НС грунтов оснований памятников, обусловленного формированием свайных полостей-«стаканов».

3 УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА СНИЖЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ПАМЯТНИКОВ.

3.1 Общие закономерности механизма снижения несущей способности грунтов оснований памятников русской архитектуры.

3.2 Общие закономерности механизма деструкции деревянных свай и ее последствия.

3.3 Снижение несущей способности грунтов оснований памятников архитектуры в результате формирования «стаканов».

3.3.1 Разрушение стенок полостей-«стаканов» как результат действия касательных напряжений в условиях упругой среды.

3.3.2 Характер разрушения стенок полостей-« стаканов» касательными напряжениями в условиях упругой задачи.

3.3.3 Пластическое течение грунтов основания памятников русской архитектуры в полости-«стаканы»

3.3.4 Влияние заполнения полостей-«стаканов» вторичным материалом на величины максимальных касательных напряжений.

3.5 Отличие снижения несущей способности грунтов оснований памятников архитектуры от классических представлений.

4 ВЛИЯНИЕ КРИОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ НА РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССА СНИЖЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ.

4.1 Основные процессы, протекающие в грунтах, подверженных сезонному промерзаниюпрот албанию.

4.2 Влияние криогенных процессов на устойчивость несущих конструкций памятников архитектуры

4.3 Влияние криогенных процессов на деформации и разрушение стенок свайных полостей-«стаканов»

5 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МЕХАНИЗМА ПРОЦЕССА СНИЖЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ПАМЯТНИКОВ АРХИТЕКТУРЫ.

5.1 Основные теоретические предпосылки получения инженерно-геологической информации при проведении изысканий на памятниках русской архитектуры для исследования механизма снижения несущей способности грунтов оснований.

5.1.1 Природно-техническая система «памятник архитектуры - геологическая среда», ее оптимизация и управление функционированием.

5.1.2 Инженерно-геологическая информация, необходимая при исследовании механизма процесса снижения несущей способности грунтов оснований памятников русской архитектуры.

5.2 Принципиальная схема получения оптимума информации при исследовании механизма процесса снижения несущей способности грунтов оснований памятников русской архитектуры

5.3 Информация, необходимая при исследовании механизма процесса снижения несущей способности грунтов оснований памятников архитектуры.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Механизм процесса снижения несущей способности грунтов оснований памятников русской архитектуры"

Проблема сохранения культурного достояния в последние годы приобретает все более и более острые формы. В экономически ослабленной стране, при остро стоящих социальных вопросах, культурное наследие является залогом сохранения государственности и самобытности русского народа. На фоне этого современное состояние многих памятников русской архитектуры вызывает серьезные опасения.

Основной проблемой реставрационных работ является отсутствие должного финансирования. Однако существует ряд не менее острых проблем, связанных с методикой и технологией проведения реставрационных мероприятий. Так, в большинстве случаев специалисты-реставраторы занимаются изучением, восстановлением и защитой наземных конструкций памятника архитектуры, пренебрегая оценкой состояния фундаментов и грунтов основания сооружения. Таким образом, они практически исключают из поля зрения комплекс опасных инженерно-геологических процессов, протекающих на контакте «фундамент-грунт» и являющихся первопричиной неравномерных осадок исторических построек.

Отсутствие должного внимания к состоянию подземных несущих конструкций и грунтов оснований памятников архитектуры неизбежно приводит к дальнейшим деформациям зданий и, следовательно, к необходимости проведения повторных реставрационных работ. Иными словами, в большинстве случаев реставраторы борются со следствиями, а не с причинами деформаций. Заметим, что итогом подобной «борьбы» часто становится утрата памятника архитектуры или, в лучшем случае, некоторых его элементов.

Ввиду сказанного, представляется необходимым включение в реставрационный процесс комплекса инженерно-геологических исследований, направленных на обеспечение устойчивого функционирования исторической природно-технической системы (ИПТС) «памятник - геологическая среда» в целом. Следует добавить, что в последние десятилетия такой подход получает все более и более широкое распространение, однако он по-прежнему требует разработки теоретических и методических основ.

Исследования ряда специалистов в области инженерной геологии памятников русской архитектуры [5-7, 11-13, 24, 25, 36, 52, 55-63, 68 и др.] выявили чрезвычайную многогранность данной проблемы. Вопросы, связанные с исследованиями геологической составляющей ИПТС, также, как и в классической инженерной геологии, подразделяются на ряд направлений: механика грунтов и грунтоведение, экзогеодинамика и региональная инженерная геология [9]. При этом специфические особенности памятников определяют и специфику рассматриваемых вопросов.

Диссертационная работа посвящена разработке одной из проблем, связанных с устойчивостью грунтов оснований памятников русской архитектуры - снижению несущей способности грунтов оснований и потере ими сопротивляемости сдвиговым напряжениям на контурах свайных полостей-«стаканов». По сути, работа является продолжением и дальнейшей разработкой трудов Е.М. Пашкина и др., посвященных проблеме дефицита несущей способности (ДНС) грунтов оснований.

Какова же история развития данного вопроса?

В 1993 году Е.М. Пашкин впервые вводит термин ДНС в работе [56]. Автор дает определение ДНС: «Под дефицитом несущей способности грунтов оснований памятников архитектуры подразумевается недостаток способности грунтов воспринимать реальные нагрузки в результате происходящих в основании процессов, изменяющих состав, структуру и свойства грунтов и создающих условия для развития деформаций в несущих конструкциях памятников». Кроме того, основной причиной формирования ДНС грунтов основания крепостной стены Троице-Сергиевой Лавры авторы считают разложение деревянных свай. Отметим, что такое определение ДНС грунтов оснований памятников архитектуры вполне справедливо, однако оно не дает полного представления о природе и механизме его формирования. Что же касается причины возникновения ДНС, то, по мнению автора диссертационной работы, она определена абсолютно безошибочно. В дальнейшем в работе за «отправную точку» формирования и развития ДНС принимается именно начало деструкции деревянных свай в основаниях памятников русской архитектуры.

В 1995 году Е.М. Пашкин, А.А. Никифоров и С.А. Рунич пытаются развить тему ДНС и дают следующее определение:

D = Nr- N, где Nk - реальная несущая способность грунта; N - номинальная несущая способность грунта, определяемая в лаборатории, по СНиПу, справочникам и т.д. [58]. Здесь следует заметить, что подобная трансформация понятия по сравнению с первоначальной формулировкой выглядит несколько сомнительно.

В 1996 году Е.М. Пашкиным, В.М. Кувшинниковым, А.А. Никифоровым и В.В. Пономаревым при исследовании природы формирования ДНС особое внимание обращается на такие процессы, как разрушение деревянных конструкций фундаментов памятников русской архитектуры, суффозия и морозное пучение, причем доминирующую роль исследователи отводят деструкции древесины свай [59]. Важно, что в этой работе авторы обращают особое внимание на оценку напряженно-деформированного состояния массива грунтов, ослабленного полостями от сгнивших деревянных свай и сложное строение полей напряжений. При этом механизм разрушения структуры грунта на контурах свайных полостей-«стаканов» рассмотрен недостаточно подробно.

В 1998 году Е.М. Пашкин в работе [61] подводит некоторые итоги по вопросам, связанным с исследованием ДНС грунтов оснований памятников русской архитектуры. В частности, он снова обращает особое внимание на формирование открытых полостей-«стаканов» на контакте «фундамент-грунт» и связанное с ним перераспределение напряжений в массиве грунта, одновременно рассматривая различные механизмы заполнения полостей в зависимости от литологических разностей вмещающих грунтов. Однако в работе [61], как и в работе [59], механизм разрушения стенок полостей-«стаканов» рассмотрен со смещением акцента в сторону заполнения полостей вторичным материалом за счет суффозионного выноса заполнителя межвалунного пространства фундамента. По мнению автора диссертационной работы, одним из основных путей заполнения свайных «стаканов» вторичным материалом является разрушение стенок полостей под действием напряжений, формирующихся на их контурах. Одновременно эти же напряжения и обусловливают формирование ДНС грунтов основания. Подробно эти вопросы рассматриваются далее в работе.

В 1999 году Е.М. Пашкин и О.В. Домарев в работе [63] рассматривают проявление ДНС грунтов оснований памятников архитектуры, связанное с техногенными накоплениями органо-минеральных грунтов культурного слоя. Авторы указывают, в частности, на высокую сжимаемость указанных литологических разностей и на снижение их прочностных свойств из-за разложения органических веществ, слагающих грунт. К сожалению, автор диссертационной работы вынужден был абстрагироваться от данных вопросов, что объясняется во-первых, их частностью, а во-вторых - отсутствием возможностей личных экспериментальных разработок. Последнее наиболее важно, поскольку исследование слабо литифицированных грунтов, каковыми являются грунты культурного слоя, предусматривает непосредственное определение их прочностных и деформационных свойств в полевых или лабораторных условиях.

Одновременно с анализом приведенных работ автором диссертации в составе ЗАО «ИГИТ» в период 1995 - 2000 гг. были проведены многочисленные исследования оснований памятников архитектуры в различных регионах и городах России: Москва, Ярославль, Ростов Великий, Нижний Новгород, Кострома и Костромская область, Истра и др. Материалы исследований отражены в технических отчетах и заключениях [87-92 и мн. др.]. Накопленный опыт исследований и анализ литературы позволили прийти к заключению, что источником процесса снижения несущей способности (НС) является, в первую очередь, деструкция деревянных свай, формирование полостей-«стаканов» в основании и процесс конвергенции их стенок, что и положено в основу работы.

Дальнейшее исследование литературы показало полное отсутствие трудов, посвященных изучаемой проблеме. Это заставило при поиске расчетной схемы обратиться к другим отраслям науки, в частности к горному делу и сопротивлению материалов. В работах [1, 15, 23, 26, 38, 75, 93] рассматриваются вопросы, связанные с устойчивостью вертикальных горных выработок и с распределением напряжений на их контурах. Анализ данных работ позволил провести аналогию между вертикальной горной выработкой и свайным «стаканом», на основе чего была построена расчетная схема для исследования процесса снижения НС грунтов оснований памятников архитектуры.

Изучение конструктивных особенностей и специфики работы несущих конструкций памятников проводилось автором на основе личного опыта и материалов, изложенных в трудах [8, 35, 39, 55, 72, 73].

При рассмотрении методических основ реставрационного процесса использовались работы [17, 31, 32, 49, 50, 51, 70, 80, 98, 99].

Изучение трудов Г.К. Бондарика [9, 10] позволило проанализировать структуру геологической составляющей ИПТС «памятник - геологическая среда».

Расчет прочностных свойств грунтов и сопротивляемости грунтов касательным напряжениям проводился в соответствие с нормативными документами [83] и работами [43, 44, 66, 79, 86, 94, 95].

Исследование реологических свойств глинистых грунтов основано на трудах С.Р. Месчяна [46, 47].

Криогенные процессы рассмотрены на основе работ Э.Д. Ершова [27, 28, 29], В.А. Кудрявцева [53], Н.А. Цытовича [96] и др.

Построение принципиальной схемы получения и обработки инженерно-геологической информации проведено на основе работ Г.К. Бондарика [10], Г.С. Золотарева [30], И.С. Комарова [41] и др.

Основная цель настоящей диссертационной работы - изучение механизма развития и реализации процесса снижения НС грунтов оснований памятников русской архитектуры, вызванного деструкцией деревянных свай и формированием открытых полостей-«стаканов» под подошвами фундаментов сооружений.

Объект исследований - сложная историческая природно-техническая система «памятник - геологическая среда».

Основные задачи, решаемые в диссертационной работе:

1. Исследование технологий древнерусского фундаментостроения и выявление слабого звена в виде деструктированных подземных деревянных конструкций.

2. Выявление недостатков современных методик реставрационного процесса (отсутствие в них специализированных инженерно-геологических исследований).

3. Изучение структуры ИПТС «памятник - геологическая среда» и специфических особенностей системы.

4. Рассмотрение общих закономерностей механизма деструкции деревянных свай.

5. Определение и обоснование процесса снижения НС грунтов оснований памятников архитектуры, построение расчетной схемы и алгоритма численных определений параметров напряженного состояния межсвайного пространства для песчаных и пылевато-глинистых грунтов оснований.

6. Исследование механизма разрушения стенок свайных полостей-«стаканов» под действием касательных напряжений в межсвайных целиках для песчаных и пылевато-глинистых грунтов.

7. Исследование механизма влияния криогенных процессов на развитие процесса снижения НС грунтов оснований памятников архитектуры.

8. Построение принципиальной схемы получения и обработки инженерно-геологической информации, необходимой и достаточной для исследования процесса снижения НС грунтов оснований памятников архитектуры.

Научная новизна диссертационной работы: впервые показана и научно обоснована принципиальная возможность применения модели разрушения стенок вертикальных горных выработок, основанной на решении задачи Ламе, для описания процесса снижения несущей способности грунтов оснований памятников архитектуры, связанного с деструкцией деревянных свай и формированием свайных «стаканов»; выявлен механизм формирования разрушающих касательных напряжений на контурах полостей-«стаканов» в условиях упругой и пластической задач, в общем виде рассмотрены особенности деформаций свайных «стаканов», связанные с реологическими процессами в пылевато-глинистых грунтах оснований памятников архитектуры; с использованием модели вертикальных горных выработок решены задачи по численному определению снижения несущей способности оснований, сложенных песчаными и пылевато-глинистыми грунтами, ослабленными полостями-«стаканами» от сгнивших свай; выявлен и научно обоснован механизм влияния криогенных процессов на снижение несущей способности грунтов оснований памятников при наличии свайных «стаканов».

Решаемая научная проблема: инженерно-геологическое обоснование обеспечения устойчивости памятников русской архитектуры, находящихся в аварийном состоянии в результате развития процессов снижения НС грунтов оснований, вызванных деструкцией деревянных свай и формированием свайных «стаканов».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Основным фактором, определяющим снижение несущей способности оснований памятников архитектуры и влияющим на разрушение межсвайных целиков грунта, является формирование разрушающих касательных напряжений на контурах свайных полостей-«стаканов».

2. Криогенные процессы влияют на развитие касательных напряжений, действующих на контурах свайных полостей-ссстаканов», в результате смещения зоны максимальной концентрации касательных напряжений при промерзании межсвайных целиков вниз по стволу «стакана».

3. Снижение несущей способности грунтов оснований памятников архитектуры XIV-XVIII вв. - избирательный процесс, включающий в себя изменение структуры свайного основания.

Результаты исследований, проведенных автором, докладывались на:

II международной конференции «Новые достижения в науках о Земле» профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов МГГА (Москва, 1995);

III международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1997);

IV международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1999);

Межрегиональной конференции «Исторический город в контексте современности (Нижний Новгород, 1998);

Первом Международном научно-практическом симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси» (Сергиев Посад, 2000).

Материалы исследований отражены в статье «Специфика развития опасных инженерно-геологических процессов в основании памятников русской архитектуры XVII века» (Изв. ВУЗов «Геология и разведка», № 6, 1997) и в сборниках тезисов конференций.

В основу диссертации положены материалы, полученные автором в ходе проведения изысканий в составе ЗАО «ИГИТ» на исторических территориях различных городов и регионов Европейской части России.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Демкин, Игорь Анатольевич

Основные результаты исследований, определяющие научную и практическую значимость работы, заключаются в следующем:

1. Деформации надземных несущих конструкций памятников русской архитектуры обусловлены, в большинстве случаев, инженерно-геологическими причинами. Основная причина неравномерных осадок заключается в деструкции деревянных свай в основаниях сооружений, сопровождающейся образованием открытых полостей-«стаканов». Формирование открытых полостей в зоне контакта «фундамент-грунт» неизбежно приводит к разрушению стенок полостей и деструктурированию грунтов основания, выражающимся в снижении несущей способности грунтов основания.

2. Методические основы научной реставрации несовершенны. Делая основной упор на сохранение художественной ценности реставрируемого памятника, в значительной мере занижено изучение такого важного фактора, как оценка состояния фундаментов и грунтов оснований. Восстановление (реставрация) декоративного убранства памятника архитектуры, поврежденного или разрушенного в результате неудовлетворительной совместной работы фундаментов и грунтов основания, является краткосрочным без усиления последних. Ввиду этого, необходимо включение специализированных инженерно-геологических изысканий в методику реставрационного процесса, как необходимого звена.

3. Памятники русской архитектуры необходимо рассматривать, как реальные природно-технические системы. При этом, исследуя геологическую составляющую системы, необходимо тщательно анализировать специфические особенности работы фундаментов и надземных несущих конструкций памятника. Анализ работы сложных арочно-сводовых систем перекрытий русских памятников позволил выделить зоны максимальной концентрации нагрузок на грунты основания. Именно к этим зонам приурочены максимальные проявления процесса снижения НС грунтов оснований. Кроме того, в работе показано, что в случае деформаций надземных несущих конструкций памятников происходит вступление в работу дублирующих конструктивных схем и, как следствие, перераспределение нагрузок на грунты основания. Это, в свою очередь, приводит к дополнительной активизации процесса снижения НС грунтов оснований или к началу его развития на участках, не подверженных данному процессу.

4. В работе рассмотрена конструкция фундаментов памятников архитектуры. При этом указано на то, что подавляющее большинство памятников XIV-XYIII в.в. обладают валунными фундаментами, устроенными по схеме «фундаментный ров». Грунты основания памятников усиливались путем забивки деревянных свай. Выявлено, что на начальном этапе функционирования системы конструкцию фундаментов можно трактовать, как свайные с каменным дискретным ростверком. Далее, после отрыва фронта гниения древесины свай от подошвы, происходит изменение конструктивной схемы фундаментов, а именно переход их из разряда свайных в обычные ленточные. Вместе с изменением конструктивной схемы фундаментов происходит перераспределение напряжений в грунтах основания. С этого момента дополнительные напряжения от веса здания формируются в грунтах межсвайного пространства, кроме прочего ослабленных полостями от сгнивших частей свай. Массив грунта, ослабленный свайными «стаканами», обладает крайне неустойчивой структурой. При действии дополнительных напряжений от веса здания памятника происходит разрушение структуры грунта и потеря им несущей способности, что подтверждается экспериментальными данными: снижение модуля общей деформации на этапе деструкции оголовков свай с 9,3 МПа до 4,1 МПа (для покровных суглинков).

5. Анализ современного состояния фундаментов и грунтов основания памятников русской архитектуры позволил выделить в структуре сферы взаимодействия зону свайного основания, представляющую собой массив грунта, ослабленный свайными «стаканами». На основании этого сделан вывод о необходимости исследований, поскольку в структуре сфер взаимодействия большинства памятников русской архитектуры в зонах свайного основания сохраняются условия для развития комплекса опасных инженерно-геологических процессов. В конечном счете, эти процессы приводят к снижению НС грунтов основания памятника и, как следствие, к развитию неравномерных осадок сооружения и нарушению целостности его надземных конструкций.

6. При рассмотрении общих закономерностей механизма процесса снижения НС грунтов оснований памятников отмечено, что это комплексный инженерно-геологический процесс, включающий совокупность взаимосвязанных событий в основании сооружения. Определены основные причины развития процесса: 1) снижение несущей способности грунтов основания вследствие гниения деревянных свай; 2) превышение нагрузок от сооружения над несущей способностью грунтов в результате перераспределения давления по подошве фундамента. При этом отмечено, что в большинстве случаев развитие процесса определяется обеими причинами, дополняющими друг друга.

7. В работе отмечена большая роль в развитии процесса снижения НС, принадлежащая комплексу опасных инженерно-геологических процессов и, в частности, процессу морозного пучения.

8. Основная роль в снижении НС отводится развитию в зоне свайного основания разрушающих касательных напряжений, приводящему к разрушению стенок «стаканов» и, следовательно, значительным неравномерным осадкам памятников архитектуры. Выявлено два основных механизма разрушения стенок свайных «стаканов» под действием касательных напряжений: 1) хрупкое разрушение стенок полостей (упругая задача); 2) вязкое течение глинистых грунтов к оси «стакана» (пластическая задача).

9. Рассмотрена картина распределения напряжений в зонах свайных оснований памятников. Сжимающие напряжения в межсвайных целиках грунтов oxv и а2х обусловлены действием собственного веса грунта и дополнительной нагрузкой от сооружения. Касательные напряжения ч2Х, обусловленные действием нагрузки от здания памятника, определяются в соответствие с действующими методиками. Для рассмотрения напряжений, формирующихся на контурах свайных «стаканов», принята аналогия с вертикальными горными выработками, базирующаяся на решении задачи Ламе по распределению напряжений в толстостенных цилиндрах. При этом принимаются следующие допущения: горизонтальные напряжения (боковой отпор) в массиве грунтов ах=ах£ и однородны; среда однородная, ненарушенная (до забивки сваи); сечения, в которых рассматриваются изменения напряженного состояния, находятся на расстоянии от затеса сваи (аналога забоя выработки), достаточном для того, чтобы исключить влияние последнего; система координат цилиндрическая (z - глубина до точки, г - расстояние по радиусу от оси «стакана», 9 - угол, образуемый радиус-вектором точки с некоторым произвольно выбранным начальным направлением). Через аг обозначается нормальное напряжение, действующее в радиальном направлении, через сге - нормальное напряжение, действующее в перпендикулярном радиусу направлении по касательной к контуру «стакана» (тангенциальное напряжение): ат = ох*(1 - а2/г2) ; Ое = ох*(1+ а2/г2).

10. Разрушение стенок «стакана» происходит под действием максимальных касательных напряжений т, действующих в плоскостях гЭ, rz и z0: тГ0тах = (ов-аг)/2 ox(a2/r2); xrz max = (oz-0r)/2; tz6 max = (ае-а2)/2. Сопротивляемость грунтов межсвайных целиков определяется законом Кулона, имеющим вид: для песчаных грунтов - sp = pn*tg(pn + Сп, где ф„ и С„ - угол внутреннего трения и структурное сцепление в грунте при данной плотности; для глинистых грунтов - spw = pn*tg(pw + Cw, где Cw - общее сцепление глинистого грунта, складывающееся из структурного сцепления и сцепления вязкости; pn = ai*cos245° + a2*sin245° = (aj + Ог)/2, где ai и 02 - соответственно наибольшее и наименьшее главные напряжения, действующие по данной площадке. Условие разрушения стенок полостей выглядит, как Tmax>Sp.

11. В работе проведено численное определение компонентов напряженного состояния грунтов межсвайных целиков грунта: 1) Троицкого собора Ипатьевского монастыря (в условиях упругой задачи); 2) Архиерейских палат в Суздале (в условиях пластической задачи). Исследования грунтов основания Троицкого собора показали следующее: основную роль в разрушении стенок свайных «стаканов» играют касательные напряжения г,о тг1Х; наиболее резко превышение тге тах над sp проявляется на оси фундамента, т.е. по центру загрузки; наибольшая величина (т,е max - Sp) отмечается в верхней части свайных «стаканов» и убывает с глубиной; резкое превышение тге шах над величиной sp в верхней части свайного основания неизбежно приводит к разрушению стенок полостей, разуплотнению массива грунтов и, следовательно, к значительным деформациям здания памятника. Вторым по значимости касательным напряжением является хГА шах. Данные напряжения превышают сопротивляемость грунтов сдвигающим напряжениям по всей длине «стакана», однако величина max - sp) имеет более низкие значения, нежели (тго max - sp). Наибольшей интенсивности ха шах достигают по центру загрузки. Здесь же отмечаются и максимальные значения разности (хгл max - sp). Величина (xrz max - sp) по центру загрузки фундамента с глубиной снижается. Под краями фундамента (irz max - sp) имеет тенденцию к некоторому росту с глубиной, однако, этот рост незначителен и им можно пренебречь. Касательные напряжения хГ1 тах дополняют действие касательных напряжений хге тах и оказывают существенное влияние на разрушение стенок «стаканов». Касательные напряжения xze шах значительно ниже сопротивляемости грунтов сдвигу. Величина (xze max - sp) имеет отрицательные значения по всей длине свайных полостей, достигая -19,55 т/м2 под центром фундамента. Таким образом, влияние xzq max на разрушение стенок «стаканов» практически исключено.

Касательные напряжения tzx способны оказывать существенное влияние на разрушение полостей. Под пряслами стен собора т2Х незначительно превышают величину sp в верхней части разреза. В целом, разрушение стенок полостей от сгнивших свай является следствием комплексного воздействия всех компонентов сдвигающих касательных напряжений. Недостаток сопротивляемости грунтов сдвигающим касательным напряжениям xre max, in max и xzx рассматривается, как результат снижения несущей способности грунтов оснований памятников архитектуры.

12. При исследовании деформации стенок «стаканов» Архиерейских палат выявлено следующее: основное разрушающее воздействие на стенки «стаканов» оказывают максимальные касательные напряжения тге max, превышающие порог ползучести; существенное влияние оказывают максимальные касательные напряжения xr/ тах и касательные напряжения от веса сооружения xzx, по которым выполняется условие возникновения пластического течения.; процесс пластического деформирования стенок «стаканов» максимален в верхней части полостей, что видно из величин истинных касательных напряжений, имеющих наибольшую величину в верхней части «стакана» и снижающихся с глубиной. Величина пластического радиуса с, в пределах которого происходят пластические деформации, так же максимальна в верхней части стакана и снижается с глубиной.

13. Расчет влияния вторичного заполнителя свайных «стаканов» на величины касательных напряжений, основанный на решении задачи Ламе, показал, что влияние крайне незначительно и им можно пренебречь.

14. По результатам проведенных исследований сделан вывод о том, что в процессе функционирования природно-технической системы «памятник - геологическая среда» происходит трансформация свайного основания из элемента фундамента в элемент сферы взаимодействия, ослабленный полостями-«стаканами». При этом создаются условия для разрушения грунтом межсвайных целиков сдвигом, но не по потенциальным поверхностям скольжения, предусмотренным в расчетной схеме Прандтля, а по поверхностям сдвига, формирующимся вокруг «стаканов». Неустойчивое состояние, обусловленное тем, что грунты приобретают возможность бокового расширения в сторону осей «стаканов», приводит к снижению несущей способности грунтов основания, а под процессом снижения несущей способности грунтов оснований памятников русской архитектуры следует понимать формирование значительных касательных напряжений вокруг свайных полостей-«стаканов» и превышение ими сопротивляемости грунтов сдвигу по данной поверхности.

15. В работе выделено два механизма влияния криогенных процессов на разрушение стенок полостей-«стаканов» и, следовательно, на развитие процесса снижения НС грунтов основания: 1) перемещение частиц грунта к оси «стакана» под действием сил морозного пучения при промерзании пылевато-глинистых грунтов основания и пластические деформации талых грунтов при повышении их влажности и, следовательно, пластичности; 2) смерзание грунтов основания с телом фундамента в единый массив и перенос зоны максимальных напряжений из верхней части стакана к фронту промерзания. Опускание фронта промерзания под подошвы фундаментов памятников русской архитектуры зафиксировано визуально при вскрытии последних на ряде объектов. В рамках первого механизма происходит смещение частиц грунта в сторону осей свайных полостей-«стаканов» и развитие процессов конвергенции их стенок. Кроме того, повышение влажности и пластичности высокодисперсных грунтов оснований, вызванное их протаиванием, приводит к интенсификации процессов конвергенции стенок «стаканов» под действием касательных напряжений, развивающихся на их контурах. Исследование второго механизма на примере Архиерейских палат выявило постепенное возрастание касательных напряжений тге щах по мере продвижения фронта промерзания под подошву фундаментов с 7,4 т/м2 до 9,4 т/м2. Таким образом, можно говорить о переносе зоны максимальной концентрации сдвигающих касательных напряжений и связанных с ними разрушений вниз по стволу «стакана» при промерзании грунтов основания под подошвой фундамента. Указанное смещение зон максимальных разрушений стенок «стаканов» отмечалось на ряде памятников архитектуры.

16. В главе 5 автором предпринята попытка применения основ методики инженерно-геологических изысканий к исследованию механизма процесса снижения НС грунтов оснований памятников архитектуры. При этом построены структурная схема предварительной информации, необходимой для исследования процесса и принципиальная схема получения оптимума инженерно-геологической информации, определены виды и объемы информации, необходимой для исследования механизма снижения НС грунтов оснований памятников.

17. В качестве путей будущих исследований намечается следующее: 1) разработка модели эволюционного развития природно-технической системы «памятник -геологическая среда»; 2) исследование реологических свойств грунтов оснований

134 памятников русской архитектуры в условиях свайных оснований; 3) дальнейшее исследование криогенных процессов в зоне свайных оснований памятников; 4) разработка методики проведения инженерно-геологических исследований исторических природно-технических систем.

Краткий словарь архитектурных терминов*

1. Апсиды - выступ здания, обычно полукруглый в плане, перекрытый сомкнутым полусводом. В русских храмах в апсидах располагается алтарная часть

2. Воздушные и внутристенные связи - деревянные балки или (чаще) металлические стержни, которые закладывались в стены или стягивали пяты арок и сводов для погашения распора на стены или столбы здания.

3. Лопатка, пилястра - плоский вертикальный выступ (прямоугольный в плане) в стене. Может быть как декоративным, так и конструктивным элементом, устраиваемым для усиления стены.

4. Парус - конструкция, обеспечивающая переход от прямоугольного основания к купольному покрытию.

5. Пазухи - пространство между наружными поверхностями смежных сводов или сводом и стеной.

6. Прясло - часть поверхности стены, ограниченная пилястрами или выступами лопаток, или башнями крепостной стены.

7. Плинфа - широкий и прочный обожженный кирпич. Имеет форму, близкую к квадрату (40*30*3,5 см).

8. Подпружная (упорная) арка - арка, укрепляющая или поддерживающая свод в различных типах сводчатых конструкций.

9. Подклет - нижний этаж здания. С внешней стороны ничем не выделяется. В храмах употребляется для хранения имущества церкви, для усыпальниц или «теплых» зимних церквей.

10. Свод сомкнутый - свод, образуемый наклонными по заданной кривой продолжениями стен, сходящимися в горизонтальной шелыге.

11. Свод крещатый - сомкнутый свод, прорезанный двумя пересекающимися крест-накрест цилиндрическими (или другой формы) сводами-усилениями, на пересечении которых стоит световой барабан.

12. Свод цилиндрический (коробовый) - пространственное криволинейное покрытие. Поверхность образована движением образующей прямой (остающейся параллельной самой себе) по плоской кривой (направляющей).

13. Четверик - четырехугольное в плане сооружение или его составная часть.

14. Шелыга - верхняя линия или хребет свода. Непрерывный ряд замковых камней (ключ свода).

- в соответствие с [64].

Заключение

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Демкин, Игорь Анатольевич, Москва

1. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. М, Госгортехиздат, 1961.

2. Афонин А.П., Дудлер И.В., Зиангиров Р.С, Лычко Ю.М., Огородникова Е.Н., Спиридонов Д.В., Черняк Э.Р., Дроздов Д.С. Классификация техногенных грунтов. Инженерная геология, № 1, 1990 год, стр. 115.

3. Арипов Н.Ф., Карпышев Е.С., Молоков Л.А., Парфиянович В.А. Инженерно-геологические изыскания: Справочное пособие. М., Недра, 1989.

4. Бартоломей А.А., Омельчак ИМ., Юшков Б.С. Прогноз осадок свайных фундаментов. М., Стройиздат, 1994.

5. Бахирева Л.В., Киселева Е.А., Коломенская В.Н. и др. Геоэкологические основы охраны архитектурно-исторических памятников и рекриационных объектов. М., Наука, 1991.

6. Бахирева Л.В., Кофф Г. Л., Мамонтова С. А., Яранцева Е.Е. Оценка геологического и геохимического риска в схемах охраны геологической среды культурно-исторических зон (на примере Московского региона). / Инженерная геология 1989, № 6, с. 36.

7. Бахирева Л.В., Родина Е Е. Инженерно-геологические исследования с целью сохранения архитектурно-исторических памятников на урбанизированных территориях (примеры зарубежного опыта). / Инженерная геология 1992, №6, с. 121.

8. Бессонов Г. Б. Исследование деформаций, расчет несущей способности и конструктивное укрепление древних распорных систем. Методические рекомендации. М., Редакционно-издательская служба объединения «Р о ср еставр ация», 1989.

9. Бондарик Г. К. Общая теория инженерной (физической) геологии. М., Недра, 1981.

10. Бондарик Г.К. Методика инженер но-геологических исследований. М., Недра, 1986.

11. П.Бондарев М.В., Демкин И.А., Котов В.Ю., Телин О.В. Специфика развития опасных инженерно-геологических процессов в основании памятников русской архитектуры XVII в. / Изв. ВУЗов Геология и разведка, 1997, №6, с. 105.

12. Борисов А. А. Механика горных пород и массивов. М., Недра, 1980.

13. Бурчаков А. С., Черняк И. JI. О закономерностях деформирования массива пород вокруг одиночных горных выработок. М., Наука,

14. Гаврилова М.К. Современный климат и вечная мерзлота на континентах. Новосибирск, Наука, 1981.

15. Гессен А. Э. Жизнь архитектуры (вопросы научной реставрации)// Восстановление памятников культуры (проблемы реставрации). Сборник трудов. Под ред. Д. С. Лихачева. М., Искусство, 1981.

16. Гендель Э.М. Инженерные работы при реставрации памятников архитектуры. -М., Стройиздат, 1980.

17. Геокриология СССР. Европейская территория СССР. Под редакцией Ершова Э.Д. М., Недра, 1988.

18. ГОСТ 25100-82 Грунты (классификация). М., Государственный комитет СССР по делам строительства.

19. ГОСТ 20522-96 Грунты. Метод статистической обработки результатов. М.

20. Давидсон М. Г., Далматов Б. И. Деформации зданий и меры их предупреждения. М., Госстройиздат, 1958.

21. Дашко Р. Э. Механика горных пород. М., Недра, 1987.

22. Дмитриев В.В. Современные методы изучения инженерно-геологических условий храмового зодчества. / Сб. «Природные условия строительства и сохранения храмов Православной Руси». Сергиев Посад, 2000.

23. Джегер Ч. Механика горных пород и инженерные сооружения. М., Мир, 1975.

24. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М., Недра, 1990.

25. Ершов Э.Д., Лебеденко Ю.П., Чувилин Е.М., Язынин О.М. Микростроение мерзлых пород. М., Издательство Московского университета, 1988.

26. Ершов Э.Д. Физико-химия и механика мерзлых пород. М., Изд-во МГУ, 1986.

27. Золотарев Г.С. Методика инженерно-геологических исследований. М., Изд-во МГУ, 1990.

28. Закон Российской Советской Федеративной Социалистической республики «Об охране и использовании памятников истории и культуры». М., 1979.

29. Законодательные документы по охране и использованию памятников истории и культуры. / Центральный совет всероссийского общества охраны памятников истории и культуры. М., 1986.

30. Инженерная геология СССР. Кн. 1. Платформенные регионы европейской части СССР. Под ред. И.С. Комарова, Д.Г. Зилинга, В.Т. Трофимова. М., Недра, 1992.

31. История русской архитектуры, под ред. Ушакова Ю.С., Славиной Т.А. СПб., Стройиздат, 1994.

32. Кушнир И. И. Архитектура Новгорода. Л., Стройиздат (ленинградское отделение), 1991.

33. Купцов А.Г., Романова Е.И. Структура глубинной охранной зоны памятников архитектуры. / Геоэкология, 1995, №4, с. 77.

34. Костиненко Г. И. Мероприятия против морозного выпучивания фундаментов. М., Госстройиздат, 1962.

35. Квапил Р. Новые взгляды в теории горного давления и горных ударов. М., Углетехиздат, 1959.

36. Красовский А. Гражданская архитектура. М., 1886.

37. Каган А.А., Солодухин М.А. Состав и физико-механические свойства моренных суглинков Вологодской, Архангельской и Ленинградской областей. Сб. статей. Инженерно-геологическое изучение морен. Ярославль, 1974.

38. Комаров И.С. Накопление и обработка информации при инженерно-геологических исследованиях. М., Недра, 1972.

39. Коломенский Н.В. Общая методика инженерно-геологических исследований. М., Недра, 1968.

40. Маслов Н. Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. М., Высшая школа, 1982.

41. Маслов Н. Н. Механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними). М., Стройиздат, 1977.

42. Малышев М. В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. М., Стройиздат, 1994.

43. Месчян С. Р. Экспериментальная реология глинистых грунтов. М., Недра, 1985.

44. Месчян С.Р. Длительное и предельно длительное сопротивление сдвигу глинистых грунтов//Геоэкология, №1, с. 50, 1995.

45. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. Под редакцией Сергеева Е.М. М., Недра, 1984.

46. Методика реставрации памятников архитектуры. Под ред. Михайловского ЕВ. -М., 1977.

47. Михайловский Е. В. Реставрация памятников архитектуры (развитие теоретических концепций). М., 1971.

48. Михайловский Е. В. Реставрация памятников архитектуры//Восстановление памятников культуры (проблемы реставрации). Сборник трудов. Под ред. Д. С. Лихачева. М., Искусство, 1981.

49. Невечеря В. Л., Пашкин Е.М., Подборская В.О. Исследование влияния криогенного пучения на устойчивость памятников архитектуры Русского Севера. / Инженерная геология, 1991, №6, с. 134.

50. Общее мерзлотоведение/Под ред. В.А. Кудрявцева. М, Изд-воМГУ, 1976.

51. Памятники архитектуры Московской области. Т. 1,2- М., Искусство, 1975

52. Пашкин Е. М., Бессонов Г. Б. Диагностика деформаций памятников архитектуры. М., Стройиздат, 1984.

53. Пашкин Е. М., Домарев О. В., Никифоров А. А. Инженерно-геологический аспект проблемы сохранения древних оборонительных сооружений//Геоэкология, №4, с. 117, 1993.

54. Пашкин Е. М., Дзекцер Е. С., Никифоров А. А. Мониторинг культурного слоя как элемента геологической среды//Геоэкология, №1, с. 123, 1995.

55. Пашкин Е. М., Никифоров А. А., Рунич С. А. Дефицит несущей способности грунтов и инженерно-геологическое обоснование глубинной охранной зоны памятников архитектуры//Геоэкология №4, 1995, с. 70.

56. Пашкин Е. М., Кувшинников В. М., Никифоров А. А., Пономарев В. В. Природа формирования дефицита несущей способности и специфика инженерной защиты памятников архитектуры//Геоэкология, №6, с. 3, 1996.

57. Пашкин Е.М., Рунич С.А. Вероятностная оценка надежности грунтовых оснований инженерных сооружений. / Сб. «Анализ и оценка природных рисков в строительстве». М., ПНИИС, 1997.

58. Пашкин Е. М. Инженерно-геологическая диагностика деформаций памятников архитектуры. М., Высшая школа, 1998.

59. Пашкин Е.М., Дзекцер Е.С. Особенности изменения баланса влажности грунтов в основании памятников архитектуры. / Изв. ВУЗов. Геология и разведка, 1998 №5.

60. Пашкин Е.М., Домарев О.В. Инженерно-геологическая стратификация техногенных накоплений как основа оценки дефицита несущей способности оснований памятников//Геоэкология, №4, с. 328, 1999.

61. Партина А. С. Архитектурные термины. Иллюстрированный словарь. М., Стройиздат, 1994.

62. Полуботко А.А. Инженерно-геологические причины деформаций промышленных и гражданских зданий. / Изв. ВУЗов, 1970, №8

63. Полуботко А. А. Практикум по механике грунтов. М., 1981.

64. Подборская В.О. Исследование инженерно-геологических причин деформаций памятников русской архитектуры. / Автореф. канд. дисс. М., МГГА, 1988.

65. Подземная охранная зона исторической территории Рязанского кремля. Под ред. Романовой Е.И., Купцова А.Г. Рязань, 1995.

66. Подъяпольский С.С. и др. Реставрация памятников архитектуры. М, Стройиздат, 1988.

67. Пруцын О.И., Рымашевский Б., Борусевич В. Архитектурно-историческая среда. М., Стройиздат, 1990.

68. Пруцин О.И. Теоретические и методические основы реставраций исторического и архитектурного наследия. М., 1997.

69. Раппопорт П.А. Строительное производство Древней Руси X XIII вв. С.-П., Наука, 1994.

70. Раппопорт П. А. Зодчество Древней Руси. JL, Наука, 1986.

71. Рекомендации по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР. М., 1985.

72. Руппенейт К. В., Либерман Ю. М. Введение в механику горных пород. М., Госгортехиздат, 1960.

73. Руководство по проектированию свайных фундаментов. НИИОСП им. Н. М. Герсеванова Госстроя СССР, М., Стройиздат, 1980

74. Сизов Б.Т. Сохранение памятников из камня на открытом воздухе (скульптура, архитектурный декор). Диссертация на соискание ученой степени кандидата культурологии. М., 1998.

75. Сорокина Г. В. Строительные свойства слабых грунтов в основании сооружений. М., Стройиздат, 1996.

76. Сборник задач по грунтоведению. М., Министерство высшего и среднего образования РСФСР. Московский геологоразведочный институт, 1982.

77. Сборник руководящих документов по управлению местами, являющимися всемирным культурным наследием. Фонд реконструкции и развития Российской Государственной библиотеки. М., 1996.

78. Справочник по инженерной геологии. Под общей редакцией Чуринова М.В. М., Недра, 1974.

79. СНиП П-Б. 1-62 Основания зданий и сооружений. М., 1962.

80. СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений. М., Стройиздат, 1985.

81. СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты. М., ЦИТП Госстроя СССР, 1986.

82. СНиП 1.02.07-87 Инженерные изыскания при строительстве. М., 1987.

83. Тейлор Д. Основы механики грунтов. М., Госстройиздат, 1960.

84. Технический отчет по теме: "Проведение инженерно-геологических исследований Крестовоздвиженской церкви с трапезной Толгского Свято-Введенского монастыря, выработка рекомендаций". М., ИГИТ, 1996.

85. Техническое заключение по теме «Проведение инженерно-геологических изысканий для выявления причин деформаций церкви Ильи Пророка в г. Ярославле». М., ИГИТ, 1998

86. Техническое заключение по теме «Обследование состояния фундаментов и грунтов основания Теремного дворца в Московском Кремле для выявления причин деформаций». М., ИГИТ, 1997.

87. Техническое заключение «Оценка состоянии фундаментов и грунтов основания Архиерейских палат в городе Суздале». М., ИГИТ, 1999.

88. ФеодосьевВ. И. Сопротивление материалов. М., Наука, 1979.

89. Цытович Н. А. Механика грунтов (краткий курс). М., Высшая школа, 1979.142

90. Цытович Н. А. Механика грунтов. М., Высшая школа, 1979.

91. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов (общая и прикладная). М., 1973.

92. Швец В. М., Купалов-Ярополк О. И., Жемерикина Л. В. Опыт борьбы с подтоплением фундаментов историко-архитектурных памятников г. Москвы// Геоэкология, №4, с. 65, 1998.

93. Штендер Г. М. Реставрация памятников новгородского зодчества// Восстановление памятников культуры (проблемы реставрации). Сборник трудов. Под ред. Д. С. Лихачева. М., Искусство, 1981.

94. Михайлов С. Археологически материалы от Плиска. Изв. на Археол. ин-т. София, 1955.

95. Buchwald Н. Sardis church Е a preliminary report. Л), der Osterreichischen Byzantinistik. Wien, 1977.