Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка концепции подхода к изучению эволюции исторических природно-технических систем /иптс/. 9
1.1. Применение системного подхода к изучению исторических территорий. 9
1.2. Применение эволюционного подхода к изучению исторических территорий. 13
1.3. Эволюционные компоненты синергетического направления в изучении исторических территорий . 15
2. Эволюционные преобразования в структуре иптс . 20
2.1. Структурные элементы ИПТС. 20
2.2. Виды строительных материалов, использовавшихся при сооружении фундаментов. 39
2.3. Особенности геологической среды в основаниях памятников русской архитектуры 43
2.4. Особенности подготовки грунтового основания и устройства фундаментов 48
2.5. Специфика эволюционных преобразований контакта фундамент-грунт памятников свайного периода. 55
3. Сценарии эволюционных процессов в основании памятников русской архитектуры свайного периода. 70
3.1. Эволюционные процессы, связанные с адаптацией структуры ИПТС. 70
3.2. Эволюционные процессы в рамках сценария развития кризисного состояния . 77
3.3. Гомеостазисное развитие эволюционных процессов. 81
Выводы 93
4. Влияние техногенеза на эволюцию иптс . 95
4.1. Особенности негативного влияния техногенеза на современное состояние ИПТС. 95
4.2. Диалектика негативного и позитивного воздействия техногенеза на эволюцию ИПТС . 103
5. Применение управляющего воздействия для стабилизации иптс. 113
5.1. Управление устойчивостью памятников на основе принципа адаптивного приспособления. 113
5.2. Активные управляющие воздействия с щадящими изменениями структуры основания. 121
Заключение 124
- Эволюционные компоненты синергетического направления в изучении исторических территорий
- Особенности геологической среды в основаниях памятников русской архитектуры
- Эволюционные процессы в рамках сценария развития кризисного состояния
- Диалектика негативного и позитивного воздействия техногенеза на эволюцию ИПТС
Введение к работе
1. Актуальность.
Актуальность темы заключается в необходимости выработки целенаправленного подхода к изучению инженерно-геологических условий памятников русской средневековой архитектуры. В настоящее время большая часть памятников XV-XVIII вв. испытывает серьезные деформации, связанные со спецификой эволюции структуры и свойств грунтов основания. Лишь в исключительных случаях подобные кризисы преодолеваются памятником архитектуры без нарушения конструктивной целостности и не требуют внешнего управляющего воздействия.
Актуальность темы диссертации усиливается тем, что в настоящее время уже разработаны методы щадящего управляющего воздействия, способные предотвратить негативное, с точки зрения сохранения памятника, протекание неизбежного переходного кризиса [62]. Эти методы прошли большую апробацию, и их применение способствовало сохранению многих памятников архитектуры русского средневековья. Однако проблема управления состоит еще и в том, что к моменту подключения управляющих средств сами исторические природно-технические системы (ИПТС) могут находиться в состоянии, отражающем разные этапы эволюционного развития системы. Поэтому целесообразность и своевременность применения методов упреждающего воздействия в значительной степени обусловливается определением возможных сценариев (путей эволюции) в каждом конкретном случае. Эффективность этих действий в значительной степени будет зависеть от оценки инженерно-геологических изменений структуры сферы взаимодействия памятника в ходе ее эволюции.
Упреждающее воздействие не исключает и не должно исключать важность адекватности принимаемых решений, в том числе и упреждающих, которые, как и все технические решения, включают неопределенность. Именно поэтому, несмотря на ряд общих признаков существующих сценариев, комплексам усиливающих мероприятий должны предшествовать специализированные исследования, выявляющие специфику кризисной ситуации каждого памятника архитектуры и снижающие тем самым степень неопределенности. Одновременно такой подход оправдан при необходимости первоочередного проведения инженерной реставрации памятников архитектуры.
Эволюция инженерно-геологических условий исторических территорий определяется четко фиксированным периодом времени (с начала постройки памятника до года его обследования), в течение которого развитие сферы взаимодействия памятника архитектуры свайного типа сопровождается серьезным изменением ее структуры или значительной ее деструкцией.
В настоящее время одна из важных проблем заключается в том, чтобы от поставленных вопросов перейти к изучению эволюции внутренней структуры сферы взаимодействия памятников архитектуры с тем, чтобы ее внутренний мир стал носителем наиболее ценной информации, позволяющей при отсутствии и несовершенстве инженерно-геологических исследований исторических территорий решать задачи поддержания и восстановления устойчивости памятников архитектуры.
2. Научная новизна.
Научная новизна исследования определяется тем, что впервые при сохранении памятников архитектуры как элемента исторической ПТС применен эволюционный подход к изучению инженерно-геологических условий. Предметом исследования является реальная историческая природно-техническая система «памятник архитектуры - геологическая среда», которая рассматривается как открытая динамическая система, прошедшая за время существования определенные эволюционные этапы. Эти этапы представляют собой периоды длительного квазистационарного состояния системы, сменяющиеся периодами неустойчивости, которые завершаются резкими изменениями ее структуры и свойств. Наличие данных этапов, а также специфика их протекания определяется эволюционными процессами на контакте фундаментов зданий и сооружений свайного периода с грунтами основания.
3. Практическая значимость.
В диссертационной работе рассматриваются особенности влияния управляющих воздействий на процессы эволюции исторических природно-технических систем «памятник архитектуры — геологическая среда» на примере анализа данных, полученных при изучении ряда памятников архитектуры, расположенных на исторических территориях европейской части России. Необходимость применения упреждающих управляющих воздействий, совпадающих с позитивными, с точки зрения сохранения памятников архитектуры, тенденциями самоорганизации ИПТС, особенно возрастает при возникновении интенсивных техногенных нагрузок на исторические территории.
Подобный подход позволяет не только эффективно использовать существующий арсенал управляющих мероприятий, но в будущем разрабатывать их более адресно в направлении заданного алгоритма действий.
4. Основные цели работы.
Основными целями данной диссертационной работы являются:
- обобщение результатов изыскательских и усиливающих мероприятий, проведенных на ряде памятников средневековой архитектуры Москвы, Ярославля, а также Московской, Ярославской, Владимирской, Тверской, Калужской и Костромской областей;
- обоснование правомерности и необходимости таких мероприятий на других объектах, находящихся в подобном критическом состоянии;
— обоснование применения эволюционного подхода к изучению исторических ПТС в условиях техногенеза для принятия адекватных технических решений
5. Апробация.
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, 1996);
— III международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1997);
— Межрегиональной конференции «Исторический город в контексте современности» (Нижний Новгород, 1998);
— IV международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1999);
— Первом Международном научно-практическом симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси» (Сергиев Посад, 2000);
— V международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2001);
— Молодежной конференции 3-й Яншинские чтения «Современные вопросы геологии» (Москва, 2003).
6. Публикации.
Материалы исследований отражены в статьях:
— «Специфика развития опасных инженерно-геологических процессов в основании памятников русской архитектуры XVII века» (М., Изв. ВУЗов «Геология и разведка», 1997, № 6, с. 105-112);
— «Особенности эволюционных изменений контакта фундамент-грунт церкви Вознесения в Коломенском», (М., РАН, «Геоэкология», 2003, № 4, с. 328-334);
— «Эволюция исторических природно-технических систем и управляющие воздействия на процессы их адаптации (на примере исторических памятников Москвы)» (М., РАН, «Геоэкология», 2004, № 5, с. 422-426);
— «Анализ причин деформаций несущих конструкций памятников архитектуры Ярославской области XVII-XVIII вв.» (в сб. Современные вопросы геологии, М., Научный мир, 2003, с.384-386);
— основные положения диссертации изложены в сборниках тезисов конференций, в которых автор принимал участие.
7. На защиту выносятся следующие положения:
— Применение эволюционного подхода к изучению исторических ПТС является одним из необходимых условий для принятия адекватных технических решений, направленных на сохранение памятников русской средневековой архитектуры.
— Формирование нового инженерно-геологического элемента на контакте фундамент-грунт является причиной изменений структуры оснований памятников свайного периода.
— Сценарии эволюции исторических ПТС необходимо учитывать в комплексном подходе к инженерной реставрации.
Фактическим материалом для обоснования научных положений и выводов послужили собственные экспериментальные и полевые исследования автора в течение последних восьми лет в составе специализированной изыскательской и научно-проектной организации «Инженерная геология исторических территорий» /«ИГИТ»/ на исторических территориях различных городов и регионов европейской части России.
Кроме того, в процессе работы над диссертацией использованы многочисленные литературные источники, публикации по вопросам гидрогеологии и инженерной геологии, реставрации памятников архитектуры, инженерно-геологической диагностики деформаций памятников архитектуры и др.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы.
Эволюционные компоненты синергетического направления в изучении исторических территорий
В 40-х годах XX в. на базе системного анализа начали развиваться элементы междисциплинарного научного направления, названного Г. Хакеном синергетикой [ИЗ]. Как указывает Ю.Л. Климонтович, Г. Хакен ввел термин синергетика с целью подчеркнуть роль коллектива, роль кооперации в процессах самоорганизации. Ю.Л. Климонтович подчеркивает, что синергетика - это не новая наука, но новое объединяющее направление в науке. «Цель синергетики — выявление общих идей, общих методов и общих закономерностей процессов самоорганизации в самых различных областях естественнонаучного, технического и гуманитарного знания» [37, с.99]. Разработка нового научного направления связана с именами И. Пригожина и его коллег из Брюссельского Свободного Университета, Г. Патти, М. Эйгена. В отечественной науке синергетические исследования развернулись в 1970-80-е гг. и имели ряд относительно независимых источников. Выделяются исследования Ю.Л. Климонтовича и его учеников, М.В. Волькенштейна, Е.Е. Селькова и др. Одним из источников синергетики в СССР считается сложившаяся еще в 1930-е гг. школа А.А. Андронова. В настоящее время синергетическое направление в России активно разрабатывается Е.Н. Князевой, СП. Курдюмовым. В инженерной геологии первые шаги были предприняты еще в 1992 г. Е.М. Пашкиным [65], а позже в совместных работах А.В. Панкратова, Е.М. Пашкина [72, 73] и др.
Сейчас термин синергетика трактуется очень широко. Как указывает А.В. Панкратов, «Одни говорят, что это учение о самоорганизации. Другие — об эволюции простого в сложное. Третьи, что это междисциплинарная наука об эволюции. Четвертые - что это область знания, ориентированная на выявление общих принципов эволюции и самоорганизации сложных систем» [60]. Соглашаясь со всеми этими определениями, А.В. Панкратов указывает, что синергетика - это универсальная математическая модель любого процесса вообще, при условии, что процесс неравновесный и протекает в открытой системе [60]. В подробной и весьма содержательной в методологическом плане статье Е.Н. Князевой и СП. Курдюмова «Синергетика как новое мировидение: диалог с И. Пригожиным» подчеркивается, что благодаря синергетике становится очевидным, что «сложноорганизованным системам нельзя навязывать пути их развития. Скорее необходимо понять, как способствовать их собственным тенденциям развития, как выводить системы на эти пути. В наиболее общем плане важно понять законы совместной жизни природы и человечества, их коэволюции» [39, с.4]. В статье указывается, что синергетика «свидетельствует о том, что для сложных систем, как правило, существует несколько альтернативных путей развития» [39, с. 5]. При этом открываются новые принципы «сборки сложного эволюционного целого из частей ... Появляется и новый принцип согласования частей в целое: установление общего темпа развития входящих в целое частей (сосуществование структур разного возраста в одном темпомире)» [39, с.5].
Одним из основных синергетических терминов является понятие «аттрактор» (от латинского attractio - притяжение). Под последним понимается финальное состояние эволюционного процесса [72]. Для описания эволюционных преобразований в структуре ИПТС целесообразно использовать введенный Е.Н. Князевой и СП. Курдюмовым термин «структура-аттрактор эволюции». Объясняя данный термин, авторы указывают, что если система «попадает в поле притяжения определенного аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию (структуре). ... Мы называем аттракторами те реальные структуры в открытых нелинейных средах, на которые выходят процессы эволюции в этих средах в результате затухания в них переходных процессов. ... Структуры-аттракторы, направленности или цели относительно просты по сравнению со сложным (запутанным, хаотическим, неустоявшимся) ходом промежуточных процессов в этой среде. Выход на относительно простые, симметричные структуры-аттракторы означает свертывание сложного» [39, с.7]. При изучении ИПТС исследователям приходится встречаться с разными типами их адаптационного поведения. Поскольку ИПТС являются открытыми динамическими системами, реально существующими в течение длительного времени, исчисляющегося зачастую несколькими сотнями лет, они испытывали воздействие множества факторов как природного, так и техногенного характера. В процессе эволюции исторические природно-технические системы в целом и их отдельные подсистемы переживали ряд кризисных ситуаций, реакции на которые либо обеспечивали сохранение системе динамического равновесия, как правило, с переходом в качественно иное, но целостное состояние, либо приводили к полному разрушению системообразующих связей. В работе [62] приводятся примеры довольно быстрого после завершения строительства разрушения ряда храмов в период раннего средневековья. Это первые Успенские соборы Московского и Ростовского кремлей, Георгиевский собор в Юрьеве-Польском и др.
Известно, что все динамические ПТС в разной степени обладают тенденциями саморегуляции [34]. В сущности, эволюция ИПТС представляет собой направленное необратимое изменение их структуры и свойств, в ходе которого длительные периоды квазистационарного состояния сменяются периодами неустойчивости (кризисами), разрешающимися, как было сказано выше, переходом системы в качественно иное состояние. Периоды неустойчивости могут привести систему к одному из нескольких альтернативных сценариев эволюции. Однако не все сценарии эволюции ИПТС являются позитивными с точки зрения сохранения памятников. К сожалению, существует большое количество примеров негативных путей развития, приведших к серьезным деформациям и даже к утрате многих памятников. Поскольку риск подобных утрат слишком велик, а сохранение памятника является главной целью изучения ИПТС, необходимо применение упреждающих управляющих воздействий, которые не противоречили бы позитивным тенденциям в эволюции ИПТС. Для автора важно также утверждение Е.Н. Князевой и СП. Курдюмова, что «синергетика дает знание о том, как надлежащим образом оперировать со сложными системами и как эффективно управлять ими. Оказывается, главное - не сила, а правильная топологическая конфигурация, архитектура воздействия на сложную систему (среду). Малые, но правильно организованные - резонансные — воздействия на сложные системы чрезвычайно эффективны» [39, с. 5]. Многие ученые приходят к выводу, что управление «теряет характер слепого вмешательства методом проб и ошибок ..., начинает основываться на соединении вмешательства человека с существом внутренних тенденций систем» [39, с. 20]. Одним из примеров использования этого синергетического принципа может служить работа Е.М. Пашкина [65].
Особенности геологической среды в основаниях памятников русской архитектуры
Природной составляющей исторических природно-технических систем является, в первую очередь, геологическая среда, а именно сфера взаимодействия памятника с грунтами основания. По данным, приведенным в работе [62], число памятникам, деформации которых в основном вызваны причинами инженерно-геологического характера составляет около 80 %. Таким образом, для грамотного и наиболее эффективного выведения памятника архитектуры из аварийного состояния необходимо тщательное изучение состояния сферы взаимодействия сооружения с грунтами основания. Историческая природно-техническая система является реальной и функционирующей, как правило, не одно столетие. Кроме того, как отмечено выше, конструкции памятников русской архитектуры резко отличаются от конструкций современных зданий, что влияет как на совместную работу сооружения с грунтами основания, так и на структуру сферы взаимодействия памятника архитектуры с геологической средой, динамичной во времени. Необходимо учитывать, что в состав сферы взаимодействия памятника архитектуры с грунтами основания следует включать не только области геологической среды, измененные вследствие действия нагрузки, но и области, являющиеся источниками возмущений и находящиеся за пределами ПТС в ее классическом понимании.
Под термином «сфера взаимодействия сооружения с геологической средой» (далее - «сфера взаимодействия») понимается область геологической среды, измененная в результате строительства сооружения или другой хозяйственной деятельности. При этом сфера взаимодействия является инженерно-геологическим телом [12, 13]. Состояние сферы взаимодействия, ее размеры и конфигурация определяются инженерно-геологическими условиями участка размещения памятника (геологическое строение, гидрогеологические, тектонические и неотектонические условия, геоморфологическое строение участка, экзогенные и инженерно-геологические процессы) и конструкцией памятника архитектуры. В достаточно общем представлении Г.К. Бондарик под структурой сферы взаимодействия рекомендует понимать отношения ее элементов -инженерно-геологических тел более низких категорий [12]. Однако для ИПТС ситуация является значительно более сложной, поскольку структура сферы взаимодействия для рассматриваемой системы, во-первых, не остается постоянной, во-вторых, она не столько определяется отношением инженерно-геологических тел более низких категорий, сколько структурой свайно-грунтового основания в рамках ее эволюционного преобразования и, в-третьих, для ее оценки в настоящий период в меньшей степени играет роль отношение инженерно-геологических тел, чем отношение геометрии свайных «стаканов» к геометрии основания фундаментов. Рассматриваемые в данной диссертационной работе памятники архитектуры находятся в пределах юго-западной и центральной частей Московской синеклизы - наиболее крупной древней отрицательной структуры Восточно-европейской платформы. В орографическом отношении регион представляет собой пологохолмистую равнину, в пределах которой выделяется ряд локальных возвышенностей и низменностей. Формирование современного рельефа протекало в неоген-четвертичное время и было связано, в основном, с континентальными оледенениями и деятельностью водных потоков [31].
Геологический разрез Московской синеклизы представлен мощной толщей (до 4 км) разновозрастных осадочных отложений. Поскольку мощность сфер взаимодействия памятников русской архитектуры с геологической средой редко превышает 10-15 м, то нас интересует, в первую очередь, верхняя часть разреза, представленная комплексом отложений четвертичного возраста. В ранне-среднечетвертичное время данная территория неоднократно подвергалась оледенениям. Комплекс разновременных ледниковых отложений, связанный с периодами оледенений и межледниковий, покрывает весь регион. Поздние плейстоценовые и голоценовые отложения представлены различными генетическими типами (аллювиальные, озерные, болотные и т.д.), характерными для господствующего здесь в это время умеренного гумидного климата. Особого подхода требуют распространенные в пределах исторических территорий техногенные накопления. Общая мощность четвертичных отложений региона колеблется от 3 - 80 м на водоразделах до 150- 260 м в древних долинах. Комплекс ледниковых отложений представлен собственно ледниковыми (гляциальными) отложениями донных и конечных морен окского (glok), днепровского (glldn), московского (glims), подпорожского (калининского) (glllpd) горизонтов и водноледниковыми (флювиогляциальными и лимногляциальными) отложениями. Основные морены описываемых оледенений представлены плотными валунными суглинками, супесями, реже глинами. На отдельных участках в моренах встречаются линзы, гнезда и прослои разнозернистого песка, гравийно-галечного материала и ленточных глин. Более пестрый состав имеют конечные моренные образования. Здесь часто на небольшом расстоянии валунно-галечные или валунно-песчаные разности замещаются валунными глинами или суглинками. В них часто встречаются маломощные (0,5 -1м) линзы и прослои супесей и гравелистых песков. Ледниковые отложения чаще всего находятся в твердой, полутвердой или тугопластичной консистенции.
Флювиогляциальные отложения широко развиты в пределах региона, как на поверхности, где они слагают зандровые равнины, окаймляющие с внешней стороны области распространения одновозрастных ледников, так и на различной глубине, где они переслаиваются с моренными горизонтами. Мощность отложений изменяется от 0,0-5,0 до 40-50 м. В литологическом составе флювиогляциальных отложений преобладают пески различной крупности (от тонких до грубых), отсортированности и глинистости. Пески содержат гравий, гальку и мелкие валуны в рассеянном состоянии или в виде линз и прослоев. Нередко пески переслаиваются с супесями и суглинками. Озерно-ледниковые отложения представлены камами и осадками приледниковых озер. Для камов характерны различные по крупности пески. Мощность камовых отложений 15-20 м. Отложения крупных приледниковых озер слагают обширные равнины и представлены песками, супесями, суглинками и глинами (нередко ленточными), постепенно переходящими друг в друга как по простиранию, так и по мощности [31, 35]. Глинистые разности обычно имеют тугопластичную или мягкопластичную, реже текучепластичную консистенцию. Пески от тонкозернистых до крупнозернистых различной сортировки, с редкими прослойками гравия (прибрежная фация), линзами и прослоями глин и суглинков. Мощность отложений приледниковых озер колеблется в пределах 5-27 м. Отложения мелких приледниковых озер встречаются в виде маломощных прослоев и линз глинистых пород в толще флювиогляциальных песков. Озерные и озерно-болотные отложения представлены пылеватыми тонкослоистыми глинами, местами известковистыми, вязкими, на отдельных участках переходящими в суглинки и супеси. Консистенция от туго- до мягкопластичной. Все грунты часто сильно гумусированы, с линзами и прослоями торфа. Полигенетические покровные отложения покрывают
водораздельные участки и их склоны, высокие озерные и аллювиальные террасы. Преобладающая мощность 3 — 5 м. Представлены покровные отложения легкими и средними, редко тяжелыми пылеватыми, палево-бурыми суглинками, реже супесями. Суглинки часто макропористые, нередко известковистые, в южных частях региона - лессовидные, местами -просадочные. Консистенция суглинков обычно тугопластичная, реже полутвердая и мягкопластичная. Покровные отложения легко размокают и размываются, часто обладают тиксотропными свойствами. При промерзании наблюдается значительное пучение грунтов, а при оттаивании они нередко разжижаются и теряют несущую способность.
Эволюционные процессы в рамках сценария развития кризисного состояния
Показательным примером для сравнения путей эволюции ИПТС является расположенная в пределах той же исторической территории юго-западная башня стен Андроникова монастыря, которая в настоящее время переживает то кризисное состояние, которое перенес Спасский собор в XVI-XVII вв. Грунтами основания башни, возведенной вместе со стенами свайно-грунтового основания. Анализ деформаций надземных конструкций показал, что здание, в результате неравномерных осадок своих конструктивных элементов, расчленено на ряд кинематических блоков, причем среди наиболее аварийных участков особенно была выделена колокольня. Для того чтобы предотвратить очередной скачкообразный переход данной ИПТС в новую квазистационарную стадию по негативному, с точки зрения сохранения памятника, сценарию, было рекомендовано незамедлительное проведение работ по усилению основания собора, и особенно контакта фундамент-грунт аварийных участков. Однако, по причинам, связанным с отсутствием финансирования, работы начались лишь спустя почти два года, когда зафиксированная на момент обследования квазистационарная стадия эволюции ИПТС на участке колокольни уже перешла в «режим с обострением», и негативный сценарий оказался неизбежным. Сложившаяся ситуация неустойчивого равновесия в основании юго-западной башни стен Андроникова монастыря усугубляется дополнительной техногенной нагрузкой, создаваемой влиянием теплоузла в подвале башни и врезанных через тело фундамента водонесущих коммуникаций, а также нарушением вертикальной планировки территории монастыря на участке расположения башни. Атмосферные воды и утечки из водонесущих коммуникаций, попадая непосредственно в фундаменты сооружения, вызывают выщелачивание материала кладки несущих конструкций и переувлажнение грунтов основания памятника. Таким образом, можно предположить, что положительный, с позиции сохранения памятника, сценарий эволюции системы без управляющего воздействия в данном случае маловероятен. Управление системой на рассматриваемом сложном этапе существования башни должно выражаться прежде всего в усилении фундаментов и особенно контакта фундамент-грунт, в устранении утечек из коммуникаций и создании путей эвакуации поверхностных вод с участка расположения памятника.
Гомеостазисное развитие эволюционных процессов. При изучении особенностей эволюционных изменений контакта фундамент-грунт на ряде памятников русской средневековой архитектуры можно говорить о наличии гомеостазисного развития эволюционных процессов. При этом гомеостаз трактуется как относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивости основных структурных функций системы памятника, сложившееся в процессе его эволюции под воздействием различного рода факторов. Благодаря этому явлению памятник или отдельные его элементы в кризисный период перешли к новому динамическому состоянию без необратимого разрушения общей конструктивной целостности. Изучение особенностей эволюционных изменений контакта фундамент-грунт церкви Вознесения в Коломенском показало феноменальное поведение системы «памятник - геологическая среда», когда в результате разнонаправленного эволюционного процесса - выщелачивания известкового раствора в кладке фундамента и метасоматического замещения кальцитом разложившейся древесины свай с одновременной литификацией грунтов - были созданы условия для адаптирования системы.
В ходе исследования функционирования ИПТС этого уникального памятника отечественной архитектуры выяснилось, что в результате эволюционных процессов, прошедших в контактной зоне фундамент-грунт, необычным оказалось и состояние его основания. Полученные результаты превзошли ожидания и предположения: они оказались настолько уникальны, что невольно подтверждают правильность слов одного из крупнейших историков русской архитектуры П.Н. Максимова, писавшего: «Древнерусская архитектура таит в себе так много неожиданного и ценного, что всякий труд, затраченный на ее изучение, будет вознагражден в полной мере». Однако неожиданность и важность, выявляемые при исследовании памятников архитектуры могут скрываться не только в самом сооружении памятника, но и в его основании. от ЗО до 60 см - прочная древесина (нож входит на глубину 5 мм, при этом из древесины сочится вода); от 60 до ПО см - весьма прочная древесина (нож практически не втыкается, древесина маловлажная). Известково-песчаный цемент нижнего ряда блоков фундамента практически полностью выщелочен. В верхней части инфлювия, выполняющего тело сваи, встречены включения обломков известняка размером до 2x3 см и известково-песчаного цемента (в сумме около 10 %). Изучение описанных выше фрагментов свайного основания памятника показало, что грунты основания, слагающие целики между полостями — «стаканами», уплотненные в процессе создания свайного поля, в настоящее время испытывают релаксацию напряжений. Вмещающий грунт разуплотняется на контурах полостей. Опасность данной стадии деструкции заключается в возможности внезапного проявления конвергенции стенок «стаканов», ведущего к резким и значительным осадкам и деформациям несущих конструкций здания церкви.
Наличие непосредственно под подошвой фундаментов ослабленных участков контакта фундамент-грунт, представляет потенциальную опасность для существования памятника. Исходя из параметров свайного поля, вскрытого под подошвой восточной части фундамента-плиты (расстояние между сваями одного ряда - 40 см, расстояние между рядами - 30 см, диаметры полостей - 18-22 см, высота полостей в верхних частях свай — 60-70 см), рассчитанный суммарный объем полостей - «стаканов» составляет около 10 % от общего объема грунтов основания в пределах свайного поля до глубины фронта гниения. Дополнительная осадка фундаментов здания памятника, в случае полной деструкции деревянных свай по всей длине на этих участках, может составить около 12 см. Следует отметить, что эти осадки будут неравномерными во времени, поскольку сваи будут разрушаться не одновременно.
Процесс деструкции деревянных свай на исследуемых участках в настоящее время находится в активной стадии. Об этом свидетельствует описанная выше полностью сгнившая свая-колышек. Тот факт, что при существующих условиях разрушения, соседние с колышком сваи пока деструктированы только в верхних частях, объясняется исключительно их параметрами (большими, чем у колышка, длиной и диаметром). Вместе с тем, в пределах западной части фундамента-плиты был вскрыт участок свайного основания с качественно иными условиями деструкции, что позволило выделить третью группу изучаемых уплотнительных деревянных конструкций. Под подошвой фундамента-плиты на этом участке были исследованы три деревянные сваи первого ряда. Все они вертикальные, квадратного сечения (размер грани 12 см), оголовки свай защемлены телом фундамента на 20-35 см, вскрытая длина их составляет 100 см, расстояние между ними -18-20 см. Тела свай представлены древесиной различной степени сохранности: в основном - прочной (нож входит на глубину не более 2-3 мм), на отдельных участках древесина разложившаяся, однако не утратившая еще структуры волокон. Примечательно, что древесина оголовков этих свай псевдоморфно замещена кальцитом, кроме того, более 50% древесных волокон по всей вскрытой длине также кальцитизированы. В грунте, вмещающем сваи, от подошвы фундамента в интервале глубин 7,0-7,5 м выделяется зона, представленная суглинком зеленовато-серым, твердым, на контакте со сваями - сцементированным кальцитом и достаточно прочным.
Диалектика негативного и позитивного воздействия техногенеза на эволюцию ИПТС
Как было указано выше, техногенез начинает воздействовать на памятник архитектуры с самого начала его возведения. В предыдущем разделе рассматривались примеры негативного техногенного воздействия. Однако влияние техногенеза не столь однозначно. Известно, что воздействие одних и тех же факторов на различные подсистемы одной системы может быть разнонаправленным. Подобная ситуация, характерная для природных комплексов [1], часто складывается в процессе функционирования ИПТС. При анализе современного состояния памятников архитектуры и разработке индивидуализированных методов усиления необходимо учитывать, что отдельные подсистемы ИПТС в процессе эволюции по-разному реагировали на одни и те же внешние воздействия. В разделе «Гомеостазисное развитие эволюционных процессов» третьей главы было показано, что в некоторых случаях эти реакции могут быть прямо противоположны общей тенденции эволюции системы, вызванной определенными внешними воздействиями. Особенно показательны в данном отношении сценарии поведения подсистемы грунтов основания.
Одним из уникальных примеров воздействия обустройства территории и технического изменения гидрографических и гидрогеологических условий является состояние фундаментов и грунтов основания стены конца XVII в., расположенной на территории посольства Великобритании по адресу: Софийская набережная, дом 12. При исследовании современного состояния данного памятника необходимо учитывать историческое развитие и изменение гидрографических и гидрогеологических условий в данном районе города Москвы. По свидетельству русских летописей и иностранных путешественников, неоднократные перепланировки и перестройки проводились на всем протяжении истории Москвы и полностью изменили первоначальный характер поверхности города: в одних частях «засыпались болота, овраги, речки, пруды, в других - проводились рвы, канавы, выемки, устраивались разного рода подземные сооружения, о существовании которых впоследствии забывали» [58, с.37]. Уже в грамотах XV в. и в свидетельствах иностранцев упоминается множество садов и огородов в центре Москвы. Такому изобилию растительности способствовали изрезанность территории водотоками, высокий уровень подземных вод. Перепланировка города и уничтожение растительности вели к заболачиванию центра города, чему способствовало также глубокое заложение фундаментов крепостных стен Кремля, Китая и Белого города, преграждавших путь подземным потокам (проявление барражного эффекта). Как отмечает Ф.Я. Нестерук, все правобережье р. Москвы «между Каменным и Москворецким мостами и до Водоотводного канала представляло до 1786 г. заболоченную террасу, пересеченную старицей Москва-реки, на которой были разбросаны озерца, особенно увеличивающиеся после дождей» [58, с.40]. На месте современной Болотной площади и ее окрестностей находился Государев Красный сад Ивана III, называвшийся в XVI в. «Царицыным лугом». Позднее по старице с заводями было проведено Водоотводное русло, в 1833 г. преобразованное в судоходный канал. Проведение Водоотводного канала, дренировавшего местность, значительно уменьшило опасность весенних паводков, бывших причиной затопления низких прибрежных местностей на огромной территории. Однако и после проведения канала весенние, летние и осенние паводки были бедствием данной местности вплоть до полной реконструкции русла Москва-реки и Обводного канала уже в советское время. Хотя наблюдения за разливами Москва-реки и ее притоков упоминались еще в летописях, более точные данные имеются со времени появления в Москве «меток высоких вод», когда с 1788 г. по 1926 г. было зафиксировано семь больших наводнений, уровень которых фиксировался у Краснохолмского моста. Самое большое наводнение произошло в 1908 г., когда река Москва, соединившись с Водоотводным каналом в одно общее русло, достигала в черте города ширины 1-1,5 км. «Скорость течения доходила до 3 м/сек., и на большом протяжении реки произошли серьезные подмывы, повреждения мостов, набережных, плотин и шлюзов» [58, с.44].
Таким образом, рассматриваемая стена посольства Великобритании пережила весьма значительное количество изменений гидрографических и гидрогеологических условий, связанных с развитием и обустройством центра Москвы. Неоднократно весь остров между Москва-рекой и Обводным каналом полностью находился под водой, переживал перепады уровней подземных и наземных вод, заболачивание, дренирование, подвергался многочисленным перепланировкам. Работы по полной реконструкции Москва-реки и Обводного канала тоже явились значительным фактором, воздействовавшим прежде всего на грунты основания и влажностной режим. Техническая мелиорация, позитивное воздействие которой выразилось в дренировании рассматриваемой территории, не могла не способствовать негативному, с точки зрения сохранения древесины свай, развитию эволюционных процессов на контакте фундамент-грунт. Если первоначально сваи забивались под уровень подземных вод в условиях заболачивания и постоянно находились вне зоны аэрации, что обеспечивало их консервацию, то в результате существенного понижения УПВ были созданы условия для развития деструкции древесины свай. В дальнейшем гидрогеологический режим территории, во многом определяемый паводками и наводнениями, интенсифицировал процессы деструкции свай, оказавшихся в зоне амплитуды колебаний УПВ.
Проведенные автором исследования показали, что в основании фундаментов стены повсеместно имеются вертикальные деревянные конструкции - сваи. Вскрытые фрагменты свайного основания характеризуются следующими геометрическими параметрами: диаметры очередной цикл осадочных деформаций может начаться в любой момент при самых незначительных изменениях как в конструкциях памятника (перераспределение нагрузок при формировании дублирующих схем), так и в геологической среде (например, очередное повышение влажности грунтов основания). При этом, учитывая большие геометрические объемы открытых полостей-«стаканов», вероятны значительные осадочные деформации. В целом, состояние контакта фундамент - грунт стены характеризуется как аварийное и требующее незамедлительного проведения усилительных мероприятий. Необходимо отметить, что существуют примеры грамотного для своего времени проведения мероприятий, направленных не только на ремонт надземных несущих конструкций, но и на усиление оснований сооружений уже в XVIII в. Здесь очень показательны работы, проведенные в Троицком соборе Свято-Успенского женского епархиального монастыря в Александровской слободе. Данный пример также интересен тем, что в архивах монастыря сохранились достаточно полные описания необходимых для выполнения и выполненных работ. Кроме того, приводится подробное описание деформаций и, что встречается довольно редко, обозначаются их вероятные причины. Троицкий собор Свято-Успенского женского епархиального монастыря — самый главный, большой по объему и наиболее древний по времени постройки храм архитектурного ансамбля. Престол Троицкой церкви был перенесен в соборный храм в 1680-х гг., до этого времени собор носил название Покровский.
