автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Особенности деформирования бутовых фундаментов и оснований памятников архитектуры

Введение.

Глава 1. Современное состояние фундаментов и оснований памятников архитектуры.

1.1. Деформации памятников архитектуры в результате снижения несущей способности фундаментов и их оснований.

1.2. Методы диагностики состояния и деформирования фундаментов и оснований памятников архитектуры.

1.3. Применение буро-инъекционной технологии для стабилизации деформаций фундаментов и оснований памятников архитектуры.

Глава 2. Типизация процессов деструкции бутовых фундаментов памятников архитектуры (на примере Московского историко-географического региона).

2.1. Основные конструктивные схемы и материалы, используемые при строительстве бутовых фундаментов памятников архитектуры.

2.2. Деструктивные процессы в бутовых фундаментах и основаниях памятников архитектуры.

Глава 3. Собственные деформации бутовых фундаментов памятников архитектуры (на примере исследования бутовых фундаментов Останкинского дворца).

3.1. Собственные деформации бутовых фундаментов памятников архитектуры ^^тклраст (на примере бутовых фундаментов Останкинского дворца).

3.1.1. Эффективные модули деформации бутовой кладки фундаментов памятников архитектуры.

3.1.2. Расчет величины собственной деформации бутовой кладки фундамента St£m™pacm. Останкинского дворца.

3.2. Собственные деформации бутовых фундаментов памятников архитектуры ЗЦ^^н. (на примере фундаментов Останкинского дворца).

3.2.1. Оценка величины собственной деформации бутовой кладки фундамента Останкинского дворца.

Глава 4. Анализ деформирования фундаментов и оснований памятников архитектуры.

Глава 5. Эффективность буро-инъекционной цементации бутовых фундаментов, как способа снижения и стабилизации деформаций памятников архитектуры.

5.1. Оценка эффективности и качества цементации бутовых фундаментов (на примере Останкинского дворца).

5.1.1. Исследование взаимодествия ЦБР и карбонатных материалов бутовой кладки (на примере фундаментов Останкинского дворца).

5.1.2. Исследования адгезионной прочности по контактным поверхностям ЦБР с материалами бутовой кладки (на примере фундаментов Останкинского дворца).

5.2. Анализ деформирования бутовых фундаментов Останкинского дворца до и после цементации.

Проблема сохранения и реставрации архитектурного наследия в настоящее время остается актуальной. Значительное количество зданий и сооружений - памятников архитектуры, которые имеют огромную историко-архитектурную ценность, находятся в весьма запущенном или даже аварийном состоянии.

С каждым годом в нашей стране увеличиваются масштабы реставрационных работ. Однако, существует ряд проблем, связанных с методикой и технологией проведения этих работ. Речь идет о диагностике состояния памятников архитектуры, которая является необходимой ш процедурой для принятия адекватных решений по их восстановлению. Существующие методы диагностики состояния памятников архитектуры направлены в первую очередь на изучение надземных конструкций. При этом недостаточное внимание уделяется изучению причин деформирования памятников архитектуры в результате снижения несущей способности фундаментов и грунтов основания. Однако, как показывает практика, около 80% памятников архитектуры испытывают деформации губительные для своих декоративных и конструктивных элементов именно по инженерно-% геологическим причинам.

К настоящему моменту специалистами собран и обобщен значительный объем сведений о деформировании памятников архитектуры, вследствие воздействия неблагоприятных инженерно-геологических процессов на грунты основания и деструкции деревянных элементов фундаментов (сваи, лежни и т. д.). При этом остается мало изученным вопрос о собственных деформациях бутовых фундаментов памятников архитектуры, в результате деструкции кладочных растворов и возникновения в периоды сезонного «промерзания-оттаивания» грунтов внутренних криогенных напряжений в конструкции фундаментов.

Целью диссертационной работы является изучение собственных деформаций бутовых фундаментов памятников архитектуры 17-19 вв.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи диссертационной работы:

- изучение конструктивных особенностей бутовых фундаментов памятников архитектуры (с использованием информации полученной автором при обследовании памятников архитектуры 1719 вв. Московского историко-географического региона), обобщение и типизация проявления деструктивных процессов, протекающих в бутовых фундаментах и грунтах основания памятников архитектуры 17-19 вв.

- экспериментальные исследования деформационных характеристик деструктированного известково-песчаного раствора бутовых фундаментов Останкинского дворца.

- применение теории механики композитных материалов для расчета собственных деформаций бутовых фундаментов Останкинского дворца, вследствие деструкции кладочного раствора.

- оценка собственных деформаций бутовых фундаментов Останкинского дворца, возникающих вследствие проявления криогенных напряжений внутри их конструкции.

- применение методов графоаналитического моделирования для оценки неоднородности деформационного поведения в пространстве и времени фундаментов и оснований памятников архитектуры (на примере дворца музея-усадьбы Останкино, здания театра Гонзаго музея-усадьбы "Архангельское", церкви Рождества Богородицы в деревне Поярково).

- оценка эффективности и качества буро-инъекционной цементации бутовых фундаментов памятников архитектуры на примере Останкинского дворца.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

1) показана необходимость учета собственных деформаций бутовой кладки фундаментов, определение деформационных характеристик которой предлагается выполнять на основе теории механики композитных материалов;

2) на основе экспериментальных наблюдений в бутовых фундаментах памятников архитектуры 17-19 вв. выделены две характерные зоны с разной интенсивностью проявления деструктивных процессов;

3) предложен подход к обработке результатов инструментальных инженерно-геодезических наблюдений, позволяющий оценить характер неоднородности пространственного распределения деформаций фундаментов и оснований, а также выделить в конструкциях памятников архитектуры деформационные блоки;

4) показан механизм взаимодействия цементного инъекционного состава и карбонатных материалов бутовой кладки, определяющий эффективность цементации фундаментов памятников архитектуры.

Практическое значение работы. Данная работа способствует развитию представлений о характерах и видах деформаций бутовых фундаментов и оснований памятников архитектуры. Предложен метод расчета собственных деформаций бутовых фундаментов. Разработан подход к обработке результатов инструментальных инженерно-геодезических наблюдений, позволяющий оценить характер неоднородности пространственного распределения деформаций фундаментов и оснований, а также выделить в конструкциях памятников архитектуры деформационные блоки.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Апробация результатов исследования. Основные положения работы были доложены: на 4-й Международной конференции «Новые идеи в науках о земле», МГТА, Москва, 1999г.; на 54-й конференции «Актуальные проблемы современного строительства», СПГАСУ, Санкт-Петербург, 2000г.; на 1-м Международном научно-практическом симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси», Троице-Сергиева Лавра, г. Сергиев-Посад, 2000г.; на 76-м Научно-исследовательском семинаре по теоретическим и прикладным проблемам современной механики грунтов, МГСУ, Москва, 2003г.

На защиту выносятся:

- типизация конструктивных особенностей бутовых фундаментов и механизмов возникновения и проявления основных деструктивных процессов в бутовых фундаментах памятников архитектуры 17-19 вв.;

- зонирование бутовых фундаментов памятников архитектуры в зависимости от характера и интенсивности проявления в них деструктивных процессов;

- результаты расчетов собственных деформаций бутовых фундаментов памятников архитектуры 17-19 вв.;

- результаты анализа данных инструментальных инженерно-геодезических наблюдений за деформированием фундаментов и оснований памятников архитектуры 17-19 вв. с использованием графоаналитического моделирования;

- результаты исследования механизма взаимодействия цементного инъекционного состава и карбонатных материалов бутовой кладки при цементации фундаментов памятников архитектуры.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту Л. И. Черкасовой за оказанное внимание и помощь при работе над диссертацией. В процессе работы над диссертацией автор пользовался консультациями по отдельным главам зав. кафедры МГрОиФ МГСУ доктора технических наук, профессора 3. Г. Тер-Мартиросяна, которому искренне признателен. Отдельную благодарность за неоценимую помощь в написании диссертации автор выражает ведущему научному сотруднику МГТРУ О. В. Домареву.

Общие выводы

1. Типизация конструктивных схем бутовых фундаментов памятников архитектуры 17-19 вв. показала, что в определенных типах конструкций возможно развитие собственных деформаций бутовой кладки.

2. В бутовых фундаментах и грунтах среды их размещения со временем формируются две характерные зоны с различной интенсивностью проявления деструктивных процессов. Зона 1, соответствующая верхней части фундаментов до глубины 0,6-0,8 м, в наибольшей степени подвержена действию деструктивных процессов, связанных с гравитационной, капиллярной фильтрацией и сезонным морозным пучением. В зоне 2, ниже глубины 0,9 м, проявление деструктивных процессов наблюдается в меньшей степени.

3. В результате воздействия деструктивных процессов бутовые фундаменты постепенно утрачивают структурную целостность, изменяют физико-механические свойства и приобретают собственные деформации бутовой кладки, связанные с деструкцией кладочного известково-песчаного раствора .

4. Применение теории композитных материалов при исследовании собственных деформаций фундаментов памятников архитектуры S^"^ позволяет рассматривать бутовую кладку как гомогенную среду (кладочный раствор) с заполнителем (бут), которая в целом характеризуется эффективным модулем деформации.

5. Установлено, что бутовые фундаменты неотапливаемых памятников архитектуры в результате промерзания разрушенного, обладающего пластичными свойствами известково-песчаного раствора, грунтовых слоев и клиньев, находящихся в пазухах между крупными глыбами и валунами, испытывают собственные деформации, вследствие воздействия внутренних криогенных напряжений Sj^.

6. Собственные деформации бутовых фундаментов и Sj^., полученные на примере Останкинского дворца, в сумме достигают значительных величин, вызывая разрушение декоративных элементов и развитие деформаций в надземных конструкциях памятников архитектуры. Эти деформации необходимо учитывать при оценке и прогнозе общих вертикальных деформаций памятников архитектуры.

7. На основе анализа двумерных графических интерпретаций результатов инструментальных инженерно-геодезических наблюдений обследуемых зданий выделены основные типы деформирования во времени памятников архитектуры. К первому типу относятся постоянно накапливающиеся осадки, ко второму типу - циклические сезонные деформации.

8. Предложенный подход к обработке результатов инструментальных наблюдений, основанный на графическом моделировании полей параметров деформирования, позволяет оценить пространственное распределение деформаций фундаментов и оснований памятников архитектуры. Анализ полей деформаций дает возможность исследовать характер неоднородности пространственного распределения вертикальных перемещений фундаментов и оснований, а также выделить в конструкциях памятников архитектуры деформационные блоки.

9. Исследования показывают, что при цементации на проникающую способность цементно-бентонитовой суспензии оказывают влияние не только размеры и свойства поверхности пустот и трещин, но и изменение консистенции суспензии в процессе фильтрации через гигроскопические материалы бутовых фундаментов.

10. Установлено, что при цементации бутовых фундаментов между карбонатными материалами и инъекционным раствором наблюдаются сложные физико-химические взаимодействия, сопровождающиеся появлением упорядоченной трещиноватости в цементном камне при его твердении. Добавление извести-пушонки к инъекционному портландцементному раствору приводит к значительному снижению трещинообразования, что способствует общему повышению адгезионной прочности между цементным камнем и карбонатными материалами бутовой кладки.

1. Алексеев Г. В., Домарев О. В., Черкасова JI. И. Особенности процессов деструкции фундаментов Останкинского дворца-музея творчества крепостных. Сборник прикладных научно-технических работ областного факультета ПГС, М., 2000, стр. 158-161.

2. Алексеев Г. В., Домарев О. В., Черкасова J1. И. Совершенствование методики обработки результатов инструментальных наблюдений за деформациями фундаментов памятников архитектуры (на примере Останкинского дворца). Стройклуб №3-4, М., 2002.

3. Алексеев Г. В., Черкасова JI. И. Определение собственных деформаций бутовых фундаментов зданий исторической застройки. Рукопись деп. в ВИНИТИ, М., 2003.

4. Бобылев JI. М., Бобылев A. JI. Новый способ усиления основания фундамента. Строительное производство, М., 1994.

5. Боровиков В. П., Боровиков И. П. STATISTIKA Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. М: Информационно-издательский дом «Филинь», 1998.-608 с.

6. Боровиков В. П., Ивченко Г. И. Прогнозирование в системе Statistica в среде Windows, «Финансы и статистика», М., 2000.

7. Бугров А. К. Усиление основания и реконструкция Невской ограды Летнего сада Санкт-Петербурга. Реконструкция городов и геотехническое строительство №1,1999.

8. Бурак JL Я., Рабинович Г. М. Техническая экспертиза жилых домов старой застройки. Л., Стройиздат, 1977.

9. П.Воробьева С. А., Камейко В. А., Котов И. Т. и др. Каменные конструкции и их возведение. М., Стройиздат, 1989.

10. ВСН 34-83 "Цементация скальных оснований гидротехнических сооружений".

11. Гендель Е. М. Инженерные работы при реставрации памятников архитектуры. М., Стройиздат, 1980.

12. ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация. М., 1996.

13. ГОСТ 20522-82 Грунты. Метод статистической обработки результатов.

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

15. Егоров А. И., Харченко И. Я. Усиление грунтов основания и фундаментов Спасского собора Заиконоспасского монастыря в г. Москве. Реконструкция городов и геотехническое строительство №1, 1999.

16. Закон Российской Советской Федеративной Социалистической Республики "Об охране и использовании памятников истории и культуры". М.,1997.

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

18. Зворыкин Н. П. Растворы для инъектирования каменной кладки. Теория и практика реставрационных работ, Стройиздат, М., 1972.

19. Коваль Ю. А., Кувшинников В. М., Каравашкин В. А. Усиление фундаментов Рождественской Строгановской церкви в Нижнем Новгороде. Тезисы докладов IV Международной конференции «Новые идеи в науках о земле», М., 1999г.

20. Коновалов П. А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М., ВНИИНТПИ, 2000.

21. Королев М. В., Гутерман М. С., Скрылев Г. Е., Сажин Д. В., МГСУ "Эффективные методы усиления фундаментов при реконструкции зданий и сооружений" Сборник трудов МГСУ "Современные методы инженерных изысканий в строительстве", МГСУ, М., 2003

22. Костиненко Г. И. Мероприятия против морозного выпучивания фундаментов. М., Госстройздат, 1962.

23. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М., «Мир», 1982.

24. Кувшинников В. М., Пономарев В. В. Ретроспективная оценка инженерных решений по устройству фундаментов памятников архитектуры XV-XIX вв. Тезисы докладов IV Международной конференции «Новые идеи в науках о земле», М., 1999г.

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

26. Ломтадзе В. Д. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород. JL, изд. «Недра», 1972.

27. Лужин О. В., Злочевский А. Б., Горбунов И. А., Волохов В. А. Обследование и испытание сооружений. М., Стройиздат, 1987.

28. Методика реставрации памятников архитектуры. Академия строительства и архитектуры СССР. М., 1961.

29. Методика обследования и проектирования оснований и фундаментов при капитальном ремонте, реконструкции и надстройки зданий. М., Стройиздат, 1972.

30. Методика реставрации памятников архитектуры. Под ред. Михайловского Е. В. М., Стройиздат,1977.

31. Методы обследования зданий. М., Стройиздат, 1972.

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

33. Научно-технический отчет по теме: «Изучение инженерно-геологических условий участка церкви Рождества Богородицы в с. Поярково Московской области». МГТА, М., 1993.

34. Научно-техническое заключение по результатам режимных термометрических наблюдений на территории дворца Московского музея-усадьбы "Останкино". ЗАО "ИГИТ", М., 1996.

35. Научно-технический отчет по теме: «Инженерно-геологические исследования дворца и парка Московского музея-усадьбы Останкино для обоснования реставрационных и охранных мероприятий». МГТА, М., 1998.

36. Научно-технический отчет по теме: «Обследование состояния фундаментов и грунтов основания здания театра Гонзаго музея-усадьбы "Архангельское"». МГТА, М., 1998.

37. Научно-технический отчет по теме: «Обследование состояния фундаментов и грунтов основания "Святых ворот" музея-усадьбы "Архангельское"». ИГИТ, М., 1999.

38. Научно-технический отчет по теме: «Обследование состояния фундаментов и грунтов основания здания дворца музея-усадьбы "Архангельское"». ИГИТ, М., 1999.

39. Научно-технический отчет по теме: «Обследование состояния фундаментов и грунтов основания здания 3-го Кавалерского корпуса музея-усадьбы Царицыно». ИГИТ, М., 2000.

40. Научно-технический отчет по теме: «Компьютерная обработка результатов инженерно-геодезических наблюдений за деформациями конструкций дворца Московского музея-усадьбы «Останкино». ООО «Промъбизъ», М., 2001.

41. Научно-технический отчет по теме: «Обследование состояния фундаментов и грунтов основания здания хозяйственного флигеля усадьбы Долгоруких». ИГИТ, М., 2001.

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

43. Николь Н., Альбрехт P. Excel 5.0 Электронные таблицы. - М.: «Эком», 1997.

44. Пашкин Е. М., Бессонов Г. Б. Диагностика деформации памятников архитектуры. М., Стройиздат, 1984.

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

46. 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.

47. Пашкин Е.М., Домарев О.В., Чекалин С.И. Инженерно-геологический аспект сохранения и реставрации Останкинского музея-усадьбы. Геоэкология, 1997, № 4.

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

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

50. Пашкин Е. М., Домарев О. В., Ануфриев А. А., Алексеев Г. В. Процессы техногенного минералогенеза в каменных конструкциях Останкинского дворца. Тезисы докладов IV Международной конференции «Новые идеи в науках о земле», М., 1999г.

51. Пашкин Е.М., Домарев О.В. Инженерно-геологический аспект реституции исторической территории Ростовского кремля. Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология, 2000, № 1.

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

53. Полуботко А. А. Инженерно-геологические причины деформации промышленных и гражданских зданий. Изв. ВУЗов, №8, 1970.

54. Поляков Е. В. Реконструкция и ремонт жилых зданий. М., Стройиздат, 1972.

55. Попов Г. Т., Бурак Л. Я. Техническая экспертиза жилых зданий старой застройки. Л., Стройиздат, 1986.

56. Пруцин О. И., Рымашевский Б., Борусевич В. Архитектурно-историческая среда. М., Стройиздат, 1990.

57. Пруцин О. И. Теоретические и методические основы реставрации исторического и архитектурного наследия. М., 1997.

58. Раппапорт П. А. Строительное искусство Древней Руси X-XIII вв. СПб., Наука, 1994.

59. Рекомендации по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи нового строительства или реконструкции. М., Стройиздат, 1998.

60. Рекомендации по приготовлению и использованию цементно-коллоидных растворов для омоноличивания бетонных сооружений изакрепления скальных пород в гидротехническом строительстве. ВНИИгидротехники, Ленинград, 1979.

61. Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. ПНИИИС Госстроя СССР, М., 1986.

62. Симагин В. Г. Основания и фундаменты в условиях Северо-Запада. Петрозаводск, Изд. ПГУ, 1997.

63. Скальный В. С., Косыгин Е. В., Сорочан Е.А. Мониторинг деформационных процессов фундаментов здания Архиерейских палат Суздальского Кремля. Основания, фундаменты и механика грунтов №2, 2002.

64. Слукин В. М. Неразрушающие методы исследования памятниковархитектуры. Свердловск, Изд. МГУ, 1973.

65. СНиП И-22-95 Каменные и армокаменные конструкции. М., 1995.

66. СНиП 11-02-96 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. М., 1996.

67. СНиП 2.03.01-84 (1989, с изм. 1988, 1 1989, 2 1992) Бетонные и железобетонные конструкции.

68. СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений. М., 2003.р, 79. СНиП 2.02.04-88 Основания и фундаменты на вечномерзлыхгрунтах.

69. СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия. М., Стройиздат, 1990г.

70. Сотников С. Н., Симагин В. Г., Вершинин В. П. Проектирование и возведение фундаментов вблизи существующих зданий. М., Стройиздат 1986.

71. Теория и практика реставрационных работ. Сборник №3. М., Стройиздат, 1972.

72. Тер-Мартиросян 3. Г. Эквивалентные характеристики деформируемости и прочности многокомпонентного грунта. Материалы

73. Международного (2-го Всероссийского) Совещания заведующих кафедрами

74. Механики грунтов, Инженерной геологии, Оснований и фундаментов и Подземного строительства строительных вузов и факультетов. М., 2003.

75. Тер-Мартиросян 3. Г. Прогноз механических процессов в массивах многофазных грунтов. Изд. Недра, М. 1986.

76. Улицкий В. М., Шаппсин А. Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М., изд. АСВ, 1999.

77. Ухов С. Б., Семенов В. В., Знаменский В. В., Тер-Мартиросян 3. Г., Чернышев С. Н. Механика грунтов, основания и фундаменты. М., изд. АСБ, 1994.

78. Филимонов П. В. Справочник молодого каменщика. М., "Высшая школа", 1990.

79. Цытович Н. А. Механика грунтов (краткий курс). М., Высшая школа, 1983.

80. Чекалин С. И., Алексеев Г. В. Анализ деформаций инъектированных фундаментов дворца музея-усадьбы Останкино. Тезисы докладов IV Международной конференции «Новые идеи в науках о земле», Москва, 1999.

81. 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.

82. GRAPHER for Windows. User's Guide. Golden Software, Inc.

83. SURFER for Windows. User's Guide. Golden Software, Inc.