ВведениеСохранение зданий культурного назначения является одной из приоритетных задач современного градостроительного развития, при этом ключевую роль в обеспечении их долговечности и безопасности играет техническое состояние фундаментов. Значительная часть зданий исторического центра возведена на грунты с пониженной несущей способностью, что обусловливает повышенную подверженность фундаментов деформациям и осадкам.Традиционные подходы к реставрации фундаментов, применяемые в практике, зачастую ориентированы на локальное усиление конструкций без комплексного учёта взаимодействия системы «грунт–фундамент–здание».В мировой практике за последние десятилетия получили развитие альтернативные и высокотехнологичные методы реставрации фундаментов, основанные на управлении состоянием основания, минимизации вмешательства и оптимизации жизненного цикла сооружений. Анализ применимости данных подходов представляет научный и практический интерес и позволяет обосновать направления развития отечественной практики реставрации.Материалы и методыТип фундамента подбирали с учётом: характеристик грунта; уровня грунтовых вод; функционального назначения зданий; доступных строительных материалов. В исторической застройке чаще всего встречаются ленточные и кирпичные фундаменты, которые возведены на известковом или глинном основании. Подобные конструкции обеспечивают достаточную прочность при равномерном распределении нагрузок, но их особенной характеристикой является отличающийся низкой трещиностойкостью чувствительность к неравномерным осадкам, что в особенности проявляется на грунтах с пониженной несущей способностью.Свайные фундаменты с деревянными элементами широко применялись в городской застройке на участках с высокой обводнённостью и водонасыщенностью грунтов и надёжно передавали нагрузки на подстилающий слой грунта. Однако при изменении гидрологического режима и снижение уровня грунтового режима эти элементы быстро разрушаются под воздействием и иных факторов, что в свою очередь ведет к снижению несущей способности основания. На ряде объектов культурного наследия использовались комбинированные конструкции фундаментов, сочетающие ленточные основания с локальными свайными элементами. Такие решения позволяли адаптироваться к неоднородным грунтовым условиям, однако усложняли современные работы по реставрации и требовали индивидуального подхода при выборе методов усиления [1].Характерной особенностью фундаментов исторических зданий является отсутствие гидроизоляции, а также недостаточная глубина заложения по современным нормативным требованиям. Это приводит к капиллярному подсосу влаги, вымыванию растворных швов и развитию дефектов кладки, что представлено далее в таблице 1. Дополнительным фактором риска является увеличение эксплуатационных нагрузок вследствие перепланировок и изменения функционального назначения зданий. Это требует применения реставрационных решений, ориентированных не только на усиление материала фундамента, но и на обеспечение устойчивой совместной работы системы основания и надземных конструкций.Таблица 1Типы фундаментов зданий культурного назначения и их конструктивные уязвимостиТип фундаментаПериод строительстваКонструктивные особенностиОсновные уязвимостиЛенточный бутовыйXVIII–XIX вв.Кладка из природного камня на известковом раствореНеравномерные осадки, трещинообразованиеКирпичный ленточныйXIX – начало XX вв.Кирпичная кладка без гидроизоляцииРазрушение раствора, капиллярный подсос влагиСвайный (деревянный)XVIII–XIX вв.Деревянные сваи и ростверкиГниение при понижении уровня грунтовых водКомбинированныйXIX–XX вв.Сочетание ленточных и свайных элементовСложность реставрации, неоднородная работа Повреждения и деформации фундаментов зданий формируются под воздействием совокупности геотехнических, конструктивных и эксплуатационных факторов. Их развитие, как правило, носит постепенный характер и связано с длительным взаимодействием основания, фундамента и надфундаментных конструкций.К числу ключевых геотехнических причин относятся неравномерные осадки, обусловленные низкой несущей способностью и высокой сжимаемостью водонасыщенных грунтов. Наличие линз торфяных и органоминеральных отложений, а также значительная неоднородность грунтового массива приводят к дифференцированным деформациям фундаментов даже при относительно стабильных нагрузках. Существенное влияние оказывает изменение гидрогеологического режима территории.Понижение уровня грунтовых вод, вызванное устройством дренажных систем, подземных сооружений и инженерных коммуникаций, приводит к нарушению условий эксплуатации деревянных свай и ростверков. В результате ускоряется биологическое разрушение древесины и снижается несущая способность основания. Повышение уровня грунтовых вод, напротив, способствует развитию суффозионных процессов и размыву мелкодисперсных частиц грунта.Конструктивные причины повреждений связаны с особенностями исторических фундаментов. Отсутствие гидроизоляции, недостаточная глубина заложения и низкая трещиностойкость кладки обуславливают развитие трещин, вымыванием раствора и локальные разрушения. Дополнительным фактором является увеличение эксплуатационных нагрузок, возникающее при перепланировках, надстройках и изменении функционального назначения зданий. Антропогенные воздействия также играют значимую роль в формировании деформаций. Строительство новых объектов вблизи исторической застройки, динамические нагрузки от транспорта и вибрационные воздействия приводят к перераспределению напряжений в грунтовом массиве [2].Совокупное воздействие перечисленных причин определяет сложный характер повреждений фундаментов, который проявляется в виде трещинообразования, неравномерных осадок и нарушения пространственной жёсткости зданий. Для эффективной реставрации требуется выявление доминирующих факторов и их учёт при выборе методов усиления, ориентированных на стабилизацию работы основания и фундамента.Таблица 2Основные причины повреждений фундаментов зданий культурного назначения и их последствияГруппа факторовОсновные причиныХарактерные последствияГеотехническиеСлабонесущие и неоднородные грунты, неравномерные осадкиКрены, трещины в фундаментах и стенахГидрогеологическиеКолебания уровня грунтовых вод, суффозияПотеря устойчивости основания, локальные просадкиКонструктивныеОтсутствие гидроизоляции, малая глубина заложенияРазрушение кладки, капиллярный подсос влагиАнтропогенныеНовое строительство, вибрационные нагрузкиДополнительные деформации, ускорение повреждений К традиционным методам относятся подливка бетонных участков, устройство железобетонных обойм, частичная замена кладки и локальное уширение подошвы фундамента. Данные методы характеризуются относительной технологической простотой, но требуют значительного вмешательства в исторические конструкции и сопровождаются высокими трудозатратами [3].Альтернативные методы реставрации ориентированы на управление работой основания и перераспределение нагрузок. К ним относятся инъекционные технологии, устройство буроинъекционных микросвай, комбинированные системы усиления и методы управляемого воздействия на грунтовый массив. Применение данных подходов позволяет минимизировать вмешательство в историческую материю и обеспечить более устойчивую совместную работу.Сравнительные характеристики традиционных и альтернативных методов приведены в таблице 3 и далее на гистограмме в рисунках 1 и 2.Таблица 3Сравнительная характеристика традиционных и альтернативных методов реставрации фундаментовГруппа методовПринцип действияПреимуществаОграниченияТрадиционныеЛокальное усиление конструкцийПростота реализацииВысокая инвазивность, ограниченная эффективностьАльтернативныеУправление работой основанияСнижение вмешательства, высокая надежностьНеобходимость точных расчетовРис. 1. Сравнительная оценка относительной стоимости методов реставрации Рис. 2. Сравнительная оценка надежности методов реставрацииЗарубежный опыт реставрации представляет особый интерес в рамках исследуемой обстановки, поскольку ряд североевропейских регионов характеризуется сходными инженерно-геологическими и климатическими условиями [1]. В Финляндии обладает значительным опытом реставрации исторических зданий в прибрежных районах Хельсинки. В процессе укрепления фундаментов применяли буреникционные микросваи в сочетании с инъекционным методом бетонного раствора.Суть этого подхода позволила обеспечить перераспределение нагрузок на более подходящие, плотные слои грунтового основания, с исключением издержек на производство масштабных земляных работ путем их исключения. Исследование и анализ эксплуатации позволили подтвердить наличие снижения скорости процесса деформирования при минимальном технологическом внедрении в конструкции реставрируемого здания.Также стоит выделить применение вдавливание сегментных стальных свай в Швеции, для реконструкции в прибрежных районах Стокгольма. Применение их сборки модульного типа позволило нивелировать сложности, связанные со стеснённостью подвальных помещений.Проанализировав эту методику можно уверенно сказать, что она позволяет получить снижение общих издержек касающихся увеличение сроков и материальных затрат, которые требует реставрация ленточных фундаментов. Для наглядности итог сравнения приведен далее в таблице 4 и на гистограмме в рисунке 3.В целом иностранные примеры реставрации фундаментов дают понять, что в первую очередь они ориентированы на работу грунтового основания с уменьшением фокуса на локальное усиление самого фундамента. Формирование основания для применения данных технологий и складывается на базе этого, что с их использованием в исследуемых условиях территории производства работ, адаптируется и сама нормативная база к отчесвтенным требованиям.  Таблица 4Опыт реставрации фундаментов зарубежномСтранаТип грунтовПрименённая технологияЭкономический эффектЭксплуатационный результатФинляндияВодонасыщенные глины, супесиБуроинъекционные микросваи, инъекцииСнижение затрат на 20–30%Стабилизация осадокШвецияСлабонесущие глинистые грунтыСегментные стальные микросваиСокращение сроков работПовышение надёжности Рис. 3. Сравнительная оценка эффективности зарубежных методов реставрации Отечественная практика демонстрирует постепенный переход от традиционных методов локального усиления к более комплексным инженерным решениям. Показательным примером является реставрация фундаментов исторического здания в центральной части города Санкт-Петербург, расположенного в зоне распространения водонасыщенных глинистых и аллювиальных грунтов. Исходное состояние объекта характеризовалось неравномерными осадками и развитием трещин в несущих стенах, что было связано с деградацией деревянных свай и изменением гидрогеологического режима [2].В ходе реставрационных работ был применён комбинированный метод который предусмотрел установку буроинъекционных микросвай малого диаметра и инъекционное закрепление грунта под подошвой фундамента. Суть заключалась в перераспределении нагрузок на более глубокие плотные слои основания при минимальном вмешательстве в исторические конструкции. Условия производства работ по реконструкции отличались характерной стеснённостью, присущей цокольным и подвальным этажам. А проводимые исследования в процессе эксплуатации и анализ поведения просадки грунтовых оснований позволили сделать вывод, что со временем происходит выравнивание показателей неравномерной осадки и остановка возрастания появлении конструкционных деформаций.Экономический анализ наглядно показал, что применение технологического комбинирования приводит к снижению показателей затрат на производство работ и необходимые материалы по сравнению с примерами, когда происходит полная замена ленты реконструируемого фундамента. Это характерно и для случаев, когда происходит применение железобетонных обойм, которые отличаются большими габаритами и массой.Все описанное наглядно показывает присущую эффективность методик, в основе которых лежат различные способы комбинирования технологий производства свайных работ в исследуемых инженерно-геологических характеристиках грунтовых оснований реконструируемы зданий. Это отраженно в составленной на рисунке 4 гистограмме.Рис. 4. Показатели примерных затрат в процессе производства работ традиционной и комбинированной методиками Методика усиления фундаментных конструкций в конкретном локальном месте являются основой традиционных методик. Стоит отметить, что положительной стороной этого способа это стабилизация передачи нагрузок от вышестоящих конструкций в границах одного конструктивного элемента на продолжительный период. Но при этом сохраняется наличие воздействия отрицательных факторов слабого грунтового основания и локальной передачи напряжения от нагрузок в системе сочетание основания и сваи.Если описывать альтернативные способы, которые ориентированы в первую очередь на контроль работы основания и передачу с распределением нагрузок, то стоит выделить то, что в них прослеживается более ровная и устойчивая система результатов. Другими словами, производство работ с использованием усиления микросваями, а также сочетание двух технологий погружения даёт положительный эффект, так как передача нагрузок происходит на грунтовые основания глубокого заложения, которые отличаются повышенной плотностью слоёв, нивелируя отрицательные эффекты воздействия слабых, поверхностных грунтов [3].Всё описываемое выше касаемо в альтернативной методики приводит к увеличению показателей целостности фундаментов и ведёт к уменьшению вероятности повторения деформационных процессов, что как итог и приводит к более надёжному эксплуатированию реконструированного фундамента. По сути данные реставрационные работы имеют более высокие показатели ценности их проведения, так как увеличивается эксплуатационный срок после их проведения. Совокупные затраты и издержки уменьшаются путём снижение объёма работ по демонтажу разрушенных фундаментных конструкций и, как следствие, происходит уменьшение временных показателей по производству и снижение риска, связанного с необходимостью повторения проведения аналогичных реконструкционных мероприятий.Ведь по сути историческая ценность здания и заключается в том насколько мал объём произведённых реконструкционных строительно-монтажных работ. С точки зрения стратегии сохранения исторической застройки альтернативные методы позволяют действовать в рамках ограниченных бюджетов. Повышение надёжности и предсказуемости результатов делает эти технологии инструментом долгосрочного управления состояния здания культурного назначения. Сравнение упомянутых подходов к реставрации приведено в таблице 5, с построением далее графика сравнительной оценки в рисунке 5. Таблица 5Сравнительный анализ эффективности традиционных и альтернативных подходов к реставрации фундаментовКритерийТрадиционные методыАльтернативные методыПреимуществоКомментарийНадёжностьСредняяВысокаяАльтернативныеУстойчивость за счёт работы основанияЭкономическая эффективностьОграниченнаяПовышеннаяАльтернативныеСнижение затрат жизненного циклаСтепень вмешательстваВысокаяНизкаяАльтернативныеСохранение исторической материиДолговечность результатаСредняяВысокаяАльтернативныеМеньший риск повторных деформаций  Рис. 5. Сравнительная оценка эффективности традиционных и альтернативных подходов Ранее в данной работе было рассмотрено устройство буроинъекционных микросвай малого диаметра и инъекционное закрепление грунта под подошвой фундамента. Данная методика, как показывает проведенное исследование весьма рационально и распространённо не только нашей стране, но и зарубежном. Стоит отметить, что изготовление свай буронабивным и буроиньекционным методами более затратные, чем погружение готовых железобетонных свай малого диаметра, так как изготовление в стесненных условиях арматурных каркасов, и подача бетона габаритными автобетоносмесителями в условиях стеснённости при реконструкции весьма проблематичны [4].  При этом сегментные стальные микросвай с модульной сборкой, упоминаемые ранее при исследовании зарубежного опыта, не имеют должного запаса прочности, так как сталь подвержена коррозии, что указано далее в таблице 6 [5]. Запас прочности в эксплуатации данных свай гораздо ниже чем у железобетонных, при том что в условиях водонасыщенных глины и супесях данный фактор весьма критичен.Таблица 6Сравнительная характеристика технико-организационных показателей при устройстве свай по рациональным для условий слабых грунтов и городской стеснённости методикамПоказательТип сваи (метод погружения)Железобетонная(вдавливание)БуронабивнаяБуронабивная с обсадной трубойБуронабивная с уширенной пятойВдавливаемая(стальная)Длина/Размер сечения, м/мм.7/3007/3007/3003/300-3507/300Срок службы, лет7525Скорость монтажа, шт./смена3025151040Изъятие грунта при монтаже-+-Испытание несущей способности во время монтажа+-+Погружение под углом+-+-+ Таким образом, наиболее рациональным альтернативным способом устройства железобетонных микросвай в условиях реконструкции является методы вдавливания с учётом выводов, полученных из ранее изученного опыта применения методик и их положительных и отрицательных сторон описанных в современных научных работах [7]. Как было отмечено ранее важен и учёт экономических затрат при производстве работ, поэтому комбинирование методик и их усовершенствования должно минимизировать издержки на достаточно большом уровне [8]. Также стоит учитывать, что фундаментная лента реставрируемых зданий может быть совсем в плачевном состоянии, когда ее укрепление буронабивными сваями или инъекционное закрепление грунта не принесет значимых улучшений. В таких случаях требуется более современный, опирающийся на новые технологии подход.Исходя из всего этого, суть дальнейшего исследования будет заключатся в том, чтоб адаптировать новую запатентованную технологию, а именно вдавливаемый микросвайный фундамент с частью ростверка [6] для процесса реконструкции малоэтажных зданий посредством замены частей существующего ленточного фундамента и переноса нагрузок на вдавленную со сваей ленту ростверка, возведенную по новой технологии, описанной в источнике [6], с восстановлением разрушенной от просадки стен подвала.Вдавливаемый микросвайный фундамент с частью ростверка состоит из отдельных фундаментных модулей заводской готовности, состоящих из полнотелых микросвай и части полнотелого ростверка, при погружении которых методом вдавливания происходит образование увеличенной зоны уплотненного грунта основания с улучшенными прочностными и деформационными характеристиками, в результате чего значительно повышается несущая способность фундамента, уменьшаются деформации грунтов основания, снижаются материально-технические ресурсы и сокращаются сроки выполнения работ.РезультатыДанная методика позволит минимизировать затраты на производство    арматурных и бетонных работ исключив их, а также позволит укреплять существующий фундамент железобетонными микросваями с заменой разрушенных частей ленты ростверка и как следствие стен подвала. Для наглядности далее авторами данной статьи была разработана схема на основе метода, вдавливаемого микросвайного фундамента с частью ростверка, которая приведена на рисунке 6. Рис. 6. Модель-схема вдавливаемого микросвайного фундамента при реконструкции На рис. 6 представлена модель вдавливаемого микросвайного фундамента при реконструкции, состоящего из набора отдельных фундаментных модулей, которые могут иметь различную конструкцию и форму в зависимости от схемы расположения реконструируемых и заменяемых несущих конструкций фундамента.На них будут перенесены нагрузки реконструируемого здания, путем замены разрушающиеся от просадки части реконструируемой ленты. Замена разрушенной ленты при реконструкции на вдавливаемый микросвайный фундамент с новой частью ростверка представляет собой определенную последовательность выполнения технологических операций [6].На первом этапе производится закрепление существующих конструкций выше от плиты первого этажа, с распределением нагрузок на соседние не аварийные участки фундамента с применением подпорок и балок. Далее осуществляется демонтаж подвальных разрушенных частей конструкций, а именно стен и ленты. Далее производится доставка определенного количества фундаментных модулей на строительную площадку [6]. Затем по заранее размеченной сетке производится установка и выверка отдельно взятого фундаментного модуля. После чего при помощи вдавливающего устройства производится погружение фундаментного модуля до соприкосновения грунта с частью ростверка [6], пока не будет достигнут уровень существующего фундамента здания.Погружение происходит до получения требуемого усилия вдавливания для данного фундаментного модуля. После чего происходит скрепление существующей ленты с новыми вдавленными вместе со сваями частями ленточного ростверка. Аналогичным образом производится вдавливание последующих фундаментных модулей и возведение новых стен подвала.  Согласно всему описанному ранее далее на рисунках 7-9 изображена технологическая схема этапов устройства, вдавливаемого микросвайного фундамента с частью ростверка при реконструкции фундамента существующего здания.Рис. 7. Технологическая схема устройства, вдавливаемого микросвайного фундамента с частью ростверка при реконструкции (замене фундаментной ленты). Этап №1 Рис. 8. Технологическая схема устройства, вдавливаемого микросвайного фундамента с частью ростверка при реконструкции (замене фундаментной ленты). Этап №2 Рис. 9. Технологическая схема устройства, вдавливаемого микросвайного фундамента с частью ростверка при реконструкции (замене фундаментной ленты). Этап №3 Обсуждение и заключениеПроведение реконструкции фундамента в зданиях требует современных и особенных, рациональных решений касающихся методов усиления и восстановления. Проведённое исследование выявило, что традиционные методы для усиления реконструируемых фундаментов не обеспечивают стопроцентной вероятности долгосрочной эксплуатационной надежности.Исследования условий городской стеснённости и слабых грунтовых оснований, в которых существует реконструируемые здания, а также причины и процессы происходящих деформаций в фундаментах дали понять, что для производства работ по реконструкции более рациональный комбинированные методики погружения свай усиления и технологии восстановления разрушенных конструкций. В условиях когда ресурсы ограничены, а наличие площадей для производства работ не отвечает требованиям качества и минимальным расстояниям по существующим технологиям строительства, комбинированные методы наиболее эффективный и современны. Поэтому направление на нахождение новых комбинаций и применений существующих технологий весьма приоритетный для науки и развития нормативной и проектной базы производство работ.Адаптированная под реставрацию фундаментов зданий технология вдавливания микросвайных модулей позволит получить повышение положительных показателей, касающихся несущей способности, путем передачи нагрузок от вышестоящих конструкций на более глубокие и плотные слои грунтового основания.  Это в свою очередь позволяет избежать появления новых деформаций в реконструированном месте фундаментных конструкций от просадки слабых, водонасыщенных, либо рыхлых грунтов, которые не способны более нести нагрузки от существующего и эксплуатируемого здания по различным причинам. При этом адаптация технологии под реконструкцию позволяет снизить издержки необходимые для производства работ, а именно уменьшить затраты на организационные, материальные и технологические аспекты строительного процесса. Это свою очередь особенно важно при производстве работ в стеснённых условиях существующей городской застройки, в которой как раз и находится реконструируемые здания и сооружения.Исследования проведённое в данной статье показывает, что проводимые адаптации существующих технологий под требования новых условий современного процесса реконструкции весьма перспективны, и в теории позволят сокращать сроки выполнения производства работ ещё на этапе календарного планирования. На это и было нацелено создание данной работы, ведь последовательная замена разрушенных участков ленточного фундамента вдавливаемым сборным микросвайным фундаментом, из привозимых с производства унифицированных модулей позволит нивелировать издержки характерные при производстве буровых и монолитных работ. При этом комбинированная конструкция вдавливаемого микросвайного фундамента разработанная для строительства новых зданий будет иметь более высокие показатели заложенной несущей способности по сравнению с существующими целыми элементами здания, ввиду производства модулей на производстве в промышленных контролируемых и автоматизированных условиях, что весьма значимо для зданий исторической ценности.